<Direto ao Ponto 61> Estrutura interna dos computadores

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Olá, dev!

Este é mais um artigo da série DIRETO AO PONTO, que eu estou escrevendo para a DIO. Ele vai tratar da estrutura interna dos computadores.

Sumário

1.   Introdução

2.  Estrutura interna de um computador moderno

3.  Estrutura interna da placa-mãe moderna

4.  Considerações finais

5.  Referências

1 – Introdução

Eu criei a série de artigos DIRETO AO PONTO com o objetivo de apresentar, de forma simples e direta, conhecimentos básicos da programação e de computação, principalmente, para os iniciantes.

Aqui, são tratados temas como lógica de programação, linguagens, hardware dos computadores, história da computação e assuntos relacionados à plataforma da DIO, como a escrita de artigos e os desafios de código.

Neste artigo, será tratada a estrutura interna dos computadores, detalhando também a estrutura da sua placa-mãe.

Em alguns dos artigos desta série, eu já falei do hardware do computador em várias ocasiões. Tratei de memórias, componentes eletrônicos analógicos e digitais, registradores, portas lógicas, entre outros.

Agora, chegou a hora de falar sobre o hardware interno do computador, das unidades eletrônicas de hardware, como placas, periféricos e, é claro, o microprocessador.

Vamos descobrir o que existe dentro dos gabinetes dos computadores modernos.

2 – Estrutura interna de um computador moderno

Legenda: 1- Processador, 2-HD, 3-Placa de vídeo, 4-Placa de rede, 5-Fonte de alimentação, 6-Placa-mãe, 7-Memórias, 8-Leitor de CDs.

A estrutura interna de um computador moderno é bastante complexa, composta por diversos componentes que trabalham juntos para garantir o funcionamento adequado do sistema.

Vamos explorar os principais componentes da estrutura interna de um computador atual e como eles interagem através da placa-mãe, que também tem seus próprios componentes.

As principais unidades (ou partes componentes) de um computador moderno incluem:

Placa-mãe – É placa eletrônica principal (item 6 da figura acima e figura da capa) que contém o processador (CPU – Unidade Central de Processamento), memórias e outros componentes essenciais para o computador funcionar. Ela será tratada na seção seguinte.

Armazenamento permanente – Serve para armazenar permanentemente o sistema operacional, arquivos e aplicativos. É composta do disco rígido (“Hard Disk” - HD), baseado em discos magnéticos giratórios, ou do disco de memória flash (“Solid State Disk” - SSD). O HD (figura abaixo, à esquerda) é mais lento e sujeito a desgastes, já o SSD (figura abaixo, à direita) é muito mais rápido e confiável, além de não ter partes móveis.

Unidade de Processamento Gráfico (“Graphical Processing Unit” – GPU) – Placa eletrônica que processa gráficos e vídeos, aliviando a carga da CPU para renderização gráfica. As GPUs modernas (figura abaixo, à direita) também são usadas realizar tarefas de computação paralela, as de inteligência artificial e aprendizado de máquina. Ela pode estar integrada à CPU ou ser uma placa de vídeo (figura abaixo, à esquerda).

Fonte de Alimentação - Converte a corrente alternada (AC) da rede elétrica em corrente contínua (DC) para alimentar todos os componentes do computador (placa-mãe, CPU, GPU, armazenamento e outros periféricos). A fonte também inclui proteção contra sobrecarga de energia.

Placa de Rede - Permite que o computador se conecte a redes, como à Internet.  Suporta conexões de rede como Ethernet e Wi-Fi. A placa de rede pode ser integrada à placa-mãe ou instalada como uma placa de expansão.

Placa de Som - Processa sinais de áudio e os converte para os dispositivos de saída (alto-falantes, fones de ouvido). Pode ser integrada à placa-mãe ou ser uma placa dedicada.

Sistema de Refrigeração - Mantém os componentes do computador em temperaturas seguras durante a operação. É composto de “coolers” (ventoinhas) e dissipadores de calor para CPU, GPU e outros componentes. Pode ser integrada à placa-mãe (cooler da CPU) ou fazer parte de outra unidade (fonte de alimentação, por exemplo).

“Drives” Ópticos e outros periféricos – Permite a leitura de CDs, DVDs ou “Blu-rays” (figura abaixo), além de dispositivos adicionais como placas de expansão USB, Bluetooth etc. Os drives ópticos estão se tornando menos comuns, inclusive alguns notebooks e desktops já são fabricados sem eles.

3 – Estrutura da placa-mãe moderna

A placa-mãe (ou “motherboard”) é a principal placa de circuito impresso em um computador, responsável por conectar todos os componentes e permitir que eles se comuniquem entre si. Ela é o esqueleto do sistema, onde os outros componentes são instalados ou conectados.

Na placa-mãe, estão instalados os seguintes componentes:

CPU (“Central Processing Unit”) – A Unidade Central de Processamento (figura abaixo), mais conhecida por microprocessador (ou processador), é o "cérebro" do computador, responsável por executar as instruções dos programas e realizar cálculos. Uma CPU consiste de vários núcleos (“cores”) que podem processar múltiplas instruções simultaneamente.

Ela possui uma unidade de controle que decodifica e executa instruções e uma Unidade Lógica Aritmética (“Arithmetic Logic Unit” - ALU) para realizar operações matemáticas.

Internamente, o processador possui blocos de memória cache (L1, L2 e L3), de um tipo de memória ultrarrápida usada para armazenar dados temporários que a CPU acessa frequentemente.

Soquete da CPU – É o local onde a CPU é inserida (figura acima) na placa-mãe. Diferentes soquetes são projetados para diferentes processadores. Por exemplo, soquetes LGA (Intel) e AM4 (AMD). O soquete conecta a CPU diretamente à ponte norte (explicada adiante), permitindo comunicação rápida com a memória e outros componentes.

Memória temporária – Mais conhecida como memória RAM (“Read Only Memory”), a memória de acesso aleatório (figura abaixo) é uma memória volátil que armazena dados e instruções temporárias enquanto o computador está em uso.

Ela acessa dados muito mais rapidamente do que o armazenamento secundário (ou permanente), mas perde os dados quando o computador é desligado.

A RAM é fundamental para o desempenho, pois armazena temporariamente as instruções que o CPU precisa processar. A princípio, quanto mais memória o computador tiver, melhor será seu desempenho.

Slots de Memória RAM – Local onde os módulos de memória RAM são inseridos (figura acima). Pode haver 2 ou mais slots, dependendo do tamanho da placa-mãe. A quantidade de memória suportada depende do chipset da placa-mãe e do número de slots disponíveis.

Slots de Expansão - Usado para conectar placas de expansão, como placas de vídeo (GPU), placas de som, placas de rede, entre outras. A expansão permite que o computador se comunique com outros dispositivos, que adicionam novas funcionalidades ou melhorem seu desempenho.

O PCI (“Peripheral Component Interconnect”) é um padrão antigo, mas ainda usado. Ele serve para conectar periféricos mais antigos ou de desempenho não avançado. Existiu uma variante chamada PCI-X (PCI “Extended”).

O PCIe (“Peripheral Component Interconnect Express”) é o padrão mais rápido e moderno para conectar placas de expansão, como GPUs.

O slot PCIe x16 é usado para placas de vídeo modernas, enquanto os PCIe x1/x4 são usados para outras placas de expansão.

Chipset (Ponte Norte e Ponte Sul) - Controla a comunicação entre a CPU, memória, dispositivos de armazenamento e periféricos. É composto de:

Ponte Norte (“Northbridge”): Controla o acesso rápido à memória RAM, GPU e CPU. Nos sistemas mais recentes, essa funcionalidade foi integrada diretamente à CPU. Ver figura abaixo, à esquerda.

Ponte Sul (“Southbridge”) - Controla os dispositivos de armazenamento, portas USB, conectores de rede e outros periféricos. Ver figura abaixo, à direita.

Conectores SATA e M.2 – Permite conectar dispositivos de armazenamento como os discos (HD e SSD) e drives ópticos. Os tipos mais comuns são:

SATA (“Serial Advanced Technology Attachment”) - Usado principalmente para conectar HDs, SSDs e drives ópticos;

M.2: Conector para SSDs com o padrão NVMe, que são muito mais rápidos que os discos SATA.

Portas de Entrada/Saída (“Input/Output” - I/O) - Permite a conexão de dispositivos externos ao computador. Inclui portas USB, HDMI, Ethernet, áudio (saída de som e microfone), DisplayPort, PS/2 (para teclado e mouse antigos) entre outras.

BIOS/UEFI – “Firmware” que inicializa o ”hardware” e inicia o sistema operacional:

BIOS (“Basic Input/Output System”) - Era o sistema mais antigo usado para inicialização;

UEFI (“Unified Extensible Firmware Interface”) é a versão moderna, com mais recursos e suporte a discos maiores e interfaces gráficas.

Conectores de Energia - Distribui energia da fonte para alimentar os componentes da placa-mãe. Inclui conectores de 24 pinos para alimentar a placa-mãe e conectores específicos para a CPU e a GPU.

Sistema de Refrigeração (Coolers e Ventoinhas) – Conectores para ”coolers” e ventoinhas, que controlam a refrigeração dos componentes do sistema. Conectores de ”fan headers” permitem que ventoinhas e sistemas de refrigeração líquida sejam conectados diretamente à placa-mãe para controle de velocidade e monitoramento.

Bateria CMOS - Alimenta o relógio interno e salva as configurações do BIOS/UEFI. Mantém as configurações mesmo quando o computador está desligado.

A estrutura interna de um computador moderno é composta por vários subsistemas integrados por meio da placa-mãe, com cada componente desempenhando um papel crucial no desempenho e funcionalidade do sistema. A placa-mãe atua como o "hub" central, conectando o processador, memória, armazenamento e outros dispositivos periféricos, permitindo que eles trabalhem juntos para realizar as tarefas computacionais.

4 – Considerações finais

Este é mais um artigo da série DIRETO AO PONTO, que eu estou escrevendo para a DIO.

Desta vez, foi apresentada a estrutura interna dos computadores, incluindo a estrutura da sua placa-mãe. A ideia foi mostrar o que há dentro dos gabinetes dos computadores.

Inicialmente, foram apresentados os principais componentes (ou unidades) que existem dentro do gabinete, visíveis ao abrir a sua tampa. Foram apresentados os discos, a fonte de alimentação, alguns periféricos e a placa-mãe, esta última apenas como uma unidade constituinte.

Em um segundo momento, foram apresentados os componentes que fazem parte da placa-mãe, agora detalhando cada componente individual. Foram tratadas a CPU, as memórias, os diversos conectores e cabos, slots para memória e para a CPU, entre outros.

Você deve ter notado que eu apenas apresentei a CPU (ou processador), componente essencial para o funcionamento de um computador, dedicando poucas linhas a ele. Isso foi de propósito, pois o microprocessador será assunto do próximo artigo da série.

5 – Referências

Praticamente todo o conteúdo deste artigo foi tirado do que eu aprendi (e me lembro) sobre o assunto desde o início da minha carreira como programador, desde os anos 80 até agora.

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