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Como Funcionam os PCs

Quando falamos a palavra "tecnologia", a maioria das pessoas pensa logo em computadores. Há componentes computadorizados ao nosso redor o tempo todo. Os aparelhos em nossas casas possuem microprocessadores embutidos, como, por exemplo, as televisões. Até mesmo nossos carros têm um computador. Mas o computador que vem à mente de todo mundo é o computador pessoal, ou PC.

Um PC é uma ferramenta de propósito geral construída em torno de um microprocessador. Ele tem muitas partes diferentes: memória, disco rígido, modem, etc, que funcionam juntas. O "propósito geral" significa que você pode fazer muitas coisas diferentes com um PC. É possível usá-lo para digitar documentos, enviar e-mails, navegar na Internet e jogar.

Neste artigo, vamos falar sobre os PCs e as diferentes partes que o compõem. Você vai conhecer os vários componentes e saber como eles funcionam juntos em uma operação básica. Você também descobrirá o que o futuro reserva para estas máquinas.

Vamos dar uma olhada nos componentes principais de um típico computador de mesa (desktop).

• Unidade central de processamento (CPU). O "cérebro" do microprocessador do sistema de computador é chamado de unidade central de processamento. Tudo o que um computador faz é supervisionado pela CPU.

• Memória. Esta é uma área de armazenamento rápida usada para guardar dados. Ela tem de ser rápida porque se conecta diretamente ao microprocessador. Há vários tipos específicos de memória em um computador:
  • memória RAM - usada para armazenar temporariamente as informações que o computador está manipulando no momento;
  • memória apenas de leitura (ROM) - um tipo permanente de armazenamento de memória usado pelo computador para dados importantes que não mudam;
  • Basic input/output system (BIOS) - um tipo de ROM que é usado pelo computador para estabelecer a comunicação básica quando o computador é iniciado;
  • Cache - a área de armazenamento dos dados freqüentemente usados em memória RAM, extremamente rápida, conectada diretamente à CPU;
  • Memória virtual - espaço no disco rígido usado para armazenar temporariamente dados na memória RAM, chaveando-os quando necessário;
  
  Clique nas várias partes do PC para saber mais sobre como funcionam
  

  Definindo um PCAqui está um modo de pensar sobre isso: um PC é um dispositivo de processamento de informações de propósito geral. Ele pode obter as informações de uma pessoa (através do teclado e mouse), de um dispositivo (igual a um disquete ou CD) ou da rede (através de um modem ou placa de rede) e processá-las. Uma vez processadas, as informações são exibidas para o usuário (no monitor), armazenadas em um dispositivo (como um disco rígido) ou enviadas para algum lugar na rede (de volta através do modem ou placa de rede). Temos muitos processadores de propósitos especiais em nossas vidas. Um MP3 Player é um computador próprio para processar arquivos de MP3. Ele não consegue fazer outra coisa. Um GPS é um computador próprio para manipular sinais GPS. Ele não consegue fazer outra coisa. Um gameboy é um computador próprio para administrar jogos, mas também não consegue fazer outra coisa. Um PC pode fazer tudo isso porque seus propósitos são gerais.

  • Placa-mãe - placa de circuito principal à qual todos os outros componentes internos se conectam. A CPU e memória estão em geral na placa-mãe. Outros sistemas podem ser encontrados diretamente na placa-mãe ou conectados a ela através de uma conexão secundária. Por exemplo, uma placa de som pode estar presente na placa-mãe ou a ela ser conectada através do barramento PCI.

  • Fonte de alimentação - um transformador elétrico regula a eletricidade usada pelo computador.

  • Disco rígido - é um depósito permanente e de grande capacidade, que guarda informações como programas e documentos.

  • Sistema operacional - software básico que permite ao usuário interfacear com o computador.

  • Controlador IDE (Integrated Drive Electronics) - interface primária com o disco rígido, CD-ROM e drive de disquete.

  • Barramento PCI (Peripheral Component Interconnect) - maneira mais comum de conectar componentes adicionais ao computador, o PCI usa uma série de slots na placa-mãe nos quais as placas PCI se conectam.

  • SCSI (Small Computer System Interface) - pronuncia-se "scãzi" e é um método de adicionar dispositivos extras ao computador, como discos rígidos ou scanners.

  • AGP (Accelerated Graphics Port) - é uma conexão rápida usada pela placa gráfica para fazer a interface com o computador.

  • Placa de som - usada pelo computador para gravar e reproduzir áudio, convertendo som analógico em informações digitais e vice-versa.

  • Placa de vídeo - transforma os dados de imagem oriundos do computador em um formato que pode ser exibido pelo monitor.

  Conexões: entrada/saída
  Independente do quão potentes os componentes do seu computador são, você precisa de uma maneira de interagir com eles. Esta interação é chamada entrada/saída (I/O). Os tipos mais comuns de I/O nos PCs são:

  • monitor - o monitor é um dispositivo primário para exibir as informações do computador;

  • teclado - o teclado é um dispositivo primário para inserir informações no computador;

  • mouse - o mouse é um dispositivo primário para navegar e interagir com o computador;

  • armazenamento removível - os dispositivos de armazenamento removível permitem adicionar novas informações ao seu computador facilmente, além de salvar as informações que você quer transportar para um local diferente.
    • Disquete. Era a forma mais comum de armazenamento removível: baratos e de fácil utilização, eles foram substituídos pelos CD-ROMs, cuja capacidade de armazenamento é muito maior do que a do disquete.
    • CD-ROM. O CD-ROM (compact disc, read-only memory) é uma forma popular de distribuição de software comercial, e acabou transformando-se em mídia padrão de armazenamento de dados. Muitos sistemas agora oferecem CD-R (gravável) e CD-RW (regravável), os quais também permitem a gravação.
    • Memória flash. Baseada em um tipo de ROM chamada EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory, ou memória apenas de leitura programável e apagável eletricamente), a memória Flash fornece armazenamento rápido e permanente. Os cartões CompactFlash, SmartMedia e PCMCIA são tipos de memória Flash.
    • DVD-ROM. O DVD-ROM (digital versatile disc, read-only memory) é semelhante ao CD-ROM, mas é capaz de guardar muito mais informações. Por sua capacidade de armazenamento, está substituindo o CD-ROM na preferência dos usuários para back-up, compartilhamento de arquivos, e gravação de dados.
      

  Conexões: portas

  • Paralela. Esta porta é geralmente usada para conectar uma impressora. Atualmente, as portas paralelas já não são mais a interface padrão das impressoras e dos computadores. Elas foram substituídas pela conexão USB, que permite transferência de dados mais rápida.
    
  • Serial. Esta porta é geralmente usada para conectar um modem externo. Também está em desuso. Nos sitemas atuais, a porta serial também foi substituída pela USB.
  • USB (Universal Serial Bus). Este barramento rapidamente se tornou a conexão externa mais popular porque as portas USB oferecem versatilidade e são muito fáceis de usar.
  • FireWire (IEEE 1394) - O FireWire é um método popular de conectar dispositivos de vídeo digital, como filmadoras e câmeras digitais, ao seu computador.
  
  Clique nas várias partes do PC para saber mais sobre como funcionam
  

  Conexões: Internet/rede

  • Modem. Este é o método padrão de conexão com a Internet discada. A maioria dos computadores atuais já não vem com modem. Em seu lugar, está instalada uma placa de rede 10/100, que permite conexão com a Internet via banda larga.
    
  • Placa de rede local (LAN - Local Area Network). Esta placa é usada pela maioria dos computadores, em especial aqueles plugados em uma rede ethernet no escritório. A placa permite acessar a internet, via rede, e outros computadores que fazem parte da mesma rede.
  • Modem a cabo. Dispositivo que permite conexão à Internet usando a rede de cabos da TV a cabo. Esse tipo de conexão atinge velocidade de até 10 MBps.
    
  • Modem DSL (Digital Subscriber Line). Esta é uma conexão de alta velocidade que trabalha em uma linha telefônica padrão. Usa a estrutura das operadoras de telefonia, e é a mais usada no Brasil atualmente.
    
  • Modem VDSL (Very high bit-rate DSL). Versão mais nova do DSL, o modem VDSL requer que sua linha telefônica tenha cabos de fibra ótica.

  
  A seguir, vamos dar uma olhada no que acontece normalmente em um computador em uma operação básica.

Ligando e desligando o PC

BIOS
Agora que você está familiarizado com as partes de um PC, vamos ver o que normalmente acontece em um computador no momento em que ele é ligado. Eis o que acontece nesse processo:

1. Você pressiona o botão "ligar" no computador e no monitor.

2. Você vê o software da BIOS realizando sua tarefa, chamada de POST (Power-On Self-Test). Em muitas máquinas, a BIOS exibe um texto que descreve informações, como a quantidade de memória instalada em seu computador, o tipo de disco rígido e assim por diante. Além disso, durante a seqüência de inicialização (boot), a BIOS realiza uma grande quantidade de trabalho para deixar seu computador pronto para funcionar:
   • a BIOS determina se a placa de vídeo está operacional. A maioria das placas de vídeo possui sua própria BIOS em miniatura que inicia a memória e o processador gráfico na placa. Caso não o façam, geralmente há informações do driver de vídeo em outra ROM na placa-mãe que a BIOS pode carregar;

   • a BIOS verifica se isto é uma inicialização a frio (cold boot) ou uma reinicialização (reboot). Ela faz isso verificando o valor no endereço de memória 0000:0472. Um valor 1234h indica uma reinicialização e, neste caso, a BIOS salta o restante do POST. Qualquer outro valor é nesse endereço de memória é considerado uma inicialização a frio.

     Se for uma inicialização a frio, a BIOS verifica a RAM fazendo um teste de escrita/leitura de cada endereço da memória. Ela verifica se há um teclado e um mouse, procura um barramento PCI e, se encontrá-lo, verifica todas as placas PCI. Se a BIOS encontrar algum erro durante o POST, ela o notificará por uma série de bips ou uma mensagem de texto exibida na tela. Um erro nesse ponto quase sempre representa um problema de hardware;

   • a BIOS exibe alguns detalhes sobre o seu sistema. Isto inclui informações a respeito de:
     • processador
     • unidades (drives) de disco rígido e flexível
     • memória
     • revisão e data da BIOS
     • monitor

   • qualquer driver especial, como aqueles para os adaptadores SCSI, é carregado do adaptador e a BIOS exibe as informações;

   • a BIOS verifica a seqüência de dispositivos de armazenamento identificados como dispositivos de inicialização na configuração CMOS. "Boot" é outro nome dado à inicialização do computador, e é uma forma reduzida de "bootstrap" (que vem de um antigo ditado: "Lift yourself up by your bootstraps", cuja moral é algo como "levante-se sozinho"). A inicialização se refere ao processo de carregar o sistema operacional. A BIOS tenta começar a seqüência de inicialização do primeiro dispositivo usando o bootstrap loader (carregador).
   
   Esta animação mostra uma operação de PC típica
   

3. O bootstrao loader carrega o sistema operacional na memória e permite que ele comece a operar. Ele faz isto configurando as partes de memória que guardam o sistema operacional, as informações de usuário e os aplicativos. O bootstrap loader então estabelece as estruturas de dados que são usadas para a comunicação entre os subsistemas e os aplicativos do computador. Finalmente, ele passa o controle do computador para o sistema operacional.

Sistema operacional
Uma vez carregado, as tarefas do sistema operacional caem em seis grandes categorias:

• gerenciamento do processador - divide as tarefas em pequenas partes administráveis, hierarquizando-as antes de enviá-las à CPU;
• gerenciamento de memória - coordena o fluxo de dados de entrada e saída da memória RAM e determina quando a memória virtual é necessária;
• gerenciamento de dispositivos - fornece uma interface entre cada dispositivo conectado ao computador com a CPU e os aplicativos;
• gerenciamento de armazenamento - determina onde os dados serão armazenados de forma permanente no disco rígido e outras formas de armazenamento;
• interface com aplicativos - estabelece uma comunicação e troca de dados padrão entre os programas e o computador;
• interface com o usuário - estabelece um meio para você se comunicar e interagir com o computador.

Você abre um programa processador de textos e digita uma carta, salva-a e então imprime. Vários componentes trabalham juntos para fazer isto acontecer:

• o teclado e mouse enviam suas entradas ao sistema operacional;
• o sistema operacional determina que o programa processador de textos é o programa ativo e aceita suas entradas como dados para este programa;
• o programa processador de textos determina o formato que os dados têm e, via sistema operacional, armazena-os temporariamente na memória RAM;
• cada instrução do programa processador de textos é enviada pelo sistema operacional para a CPU. Essas instruções são entrelaçadas com instruções de outros programas que o sistema operacional está supervisionando antes de ser enviadas efetivamente à CPU;
• todo esse tempo, o sistema operacional prontamente provê as informações para a placa gráfica, informando o que será exibido no monitor;
• quando você escolhe salvar a carta, o programa processador de textos envia uma solicitação para o sistema operacional, que então fornece uma janela padrão para selecionar onde você quer salvá-la e como ela se chamará. Uma vez que você escolheu o nome e o caminho do arquivo, o sistema operacional direciona os dados da memória RAM para o dispositivo de armazenamento apropriado;
• você clica em "imprimir". O programa processador de textos envia uma solicitação para o sistema operacional, que traduz os dados em um formato que a impressora entende e direciona os dados da memória RAM para a porta apropriada da impressora que você requisitou;
• você abre um navegador da Internet, visita o site HowStuffWorks e, mais uma vez, o sistema operacional coordena toda a ação. Nesse momento, o computador recebe informações da Internet, além de suas solicitações. O sistema operacional integra todas as informações de entrada e saída;
• você fecha o navegador de Internet e escolhe a opção "Desligar";
• o sistema operacional fecha todos os programas que estão ativos no momento. Se um programa tem informações não salvas, ele pergunta a você se deseja salvá-las antes de fechar o programa;
• o sistema operacional salva as suas próprias configurações atuais em arquivo para que elas sejam mantidas da próxima vez que você ligar o computador;
• se o computador fornece controle de energia por software, então o sistema operacional desligará totalmente quando concluir seu ciclo de encerramento. Caso contrário, você terá de fazê-lo manualmente.

A seguir, vamos dar uma olhada no futuro dos PCs.

O futuro dos PCs

Fabricante de chip EUVL
Os microprocessadores de silício são o coração do mundo da computação há mais de 40 anos. Nesse tempo, os fabricantes de microprocessadores têm colocado mais e mais dispositivos eletrônicos nos microprocessadores. De acordo com a Lei de Moore, o número de dispositivos eletrônicos colocados em um microprocessador dobra a cada 18 meses. A Lei de Moore ficou conhecida depois que o fundador da Intel, Gordon Moore, previu em 1965 que os microprocessadores dobrariam em complexidade a cada dois anos. Muitos previram que a Leis de Moore logo chegaria a seu fim por causa das limitações físicas dos microprocessadores de silício.

O atual processo usado para compactar mais e mais transistores em um chip é chamado de litografia ultravioleta profunda (DUVL), que é uma técnica como a da fotografia, que foca a luz através de lentes para gravar padrões de circuitos em pastilhas de silício. A DUVL começou a alcançar seu limite por volta de 2005. Então, os fabricantes de chip tiveram que procurar outras tecnologias para gravar mais transistores em silício para criar chips mais poderosos. Muitos já estão de olho na litografia ultravioleta extrema (EUVL) como modo de ampliar a vida do silício pelo menos até o final da década. A EUVL usa espelhos em vez de lentes para focar a luz, o que permite à luz com comprimentos de ondas mais curtas focalizar precisamente a pastilha de silício. Para saber mais sobre EUVL, veja Como funciona o chip com litografia ultravioleta extrema (EUV).

DNA e quantum
Além da EUVL, os pesquisadores olham alternativas para o projeto tradicional dos microprocessadores. Duas das tecnologias emergentes mais interessantes são os computadores de DNA e os computadores quânticos.

Os computadores de DNA têm o potencial de levar a computação para novos níveis, continuando onde a Lei de Moore parou. Há várias vantagens de usar DNA em vez de silício:

• como existem organismos celulares, haverá um suprimento de DNA;
• o grande suprimento de DNA faz dele um recurso barato;
• diferente dos microprocessadores comuns, que são feitos com materias tóxicos, os biochips de DNA podem ser feitos de forma limpa;
• os computadores DNA são muitas vezes menores que os atuais.

A vantagem principal do DNA é que fará computadores menores com maior capacidade de armazenamento do que qualquer computador já inventado. Um quilo de DNA tem a capacidade de armazenar mais informações que todos os computadores eletrônicos já construídos. A eficiência computacional de um minúsculo computador DNA, usando as portas lógicas de DNA, será mais poderosa que qualquer supercomputador existente hoje no mundo. Mais de 10 trilhões de moléculas de DNA podem caber em uma área de 1 cm³. Com esse pequeno montante de DNA, um computador poderia ser capaz de armazenar 10 TB (terabytes) de dados e realizar 10 trilhões de cálculos ao mesmo tempo. Ao adicionar mais DNA, mais cálculos poderiam ser realizados.

Diferente dos computadores convencionais, os computadores de DNA poderiam realizar cálculos simultaneamente. Os computadores convencionais operam de forma linear, fazendo uma tarefa por vez. Essa computação paralela é que vai permitir ao computador de DNA resolver problemas matemáticos complexos em horas, o que os computadores atuais levariam centenas de anos para concluírem. Você pode saber mais sobre a computação com DNA em Como funcionarão os computadores de DNA.

Os computadores de hoje trabalham manipulando bits, que podem assumir dois valores: 0 ou 1. Os computadores quânticos não são limitados a dois valores. Eles codificam informações em bits quânticos, ou qubits. Um qubit pode ser 1 ou 0, ou pode existir em superposição, ou seja, ser simultaneamente 1 e 0 ou algo entre eles. Qubits representam átomos que estão trabalhando juntos para servir como memória de computador e microprocessador. Como um computador quântico pode conter esses estados múltiplos simultaneamente, ele tem o potencial de ser milhões de vezes mais poderoso que os mais poderosos supercomputadores de hoje. Um computador quântico de 30-qubit teria a capacidade de processamento de um computador convencional capaz de executar 10 teraops (trilhões de operações por segundo). Os mais rápidos supercomputadores de hoje atingem velocidades de cerca de 2 teraops. Você pode saber mais sobre o potencial dos computadores quânticos em Como funcionarão os computadores quânticos.

Além das mesas de escritório
Os laptops e os assistentes digitais pessoais (PDAs) têm levado a computação para fora do escritório. Os computadores "usáveis" (wearable computers) instalados em nossas roupas e jóias vão estar conosco onde estivermos.

Foto cedida por IBM Em alguns anos, poderemos vestir nossos computadores em vez de nos sentar à frente deles

Nossos arquivos vão nos acompanhar (em inglês) enquanto nosso computador fornecerá feedback constante sobre o ambiente. Os softwares de reconhecimento de voz e caligrafia nos permitirão interagir com nossos computadores sem mouse ou teclado. A memória RAM magnética e outras inovações logo estarão disponíveis em nosso PC com a mesma acessibilidade da TV e do rádio.

Enquanto os computadores deixam as mesas do escritório e se tornam uma companhia constante, as exibições de realidade aumentada vão sobrepor os gráficos feitos por computador para o mundo real

Uma coisa é certa: o PC vai evoluir, vai ficar mais rápido, terá mais capacidade e continuará a ser parte integral de nossas vidas.