# Introdução à Ciência da Computação/Introdução ao Hardware

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O Hardware, Material ou Ferramental é o nome que damos à parte física de um equipamento computacional. Ele se opõe ao software, que consistiria na parte lógica, ou seja, o conjunto de dados e operações realizados pelos equipamentos computacionais.
O termo "hardware" não se refere apenas aos computadores pessoais, mas também aos equipamentos embarcados, em produtos que necessitam de processamento computacional, como os dispositivos encontrados em equipamentos hospitalares, automóveis, aparelhos celulares, dentre outros. Hoje alguns extrapolam o sentido para além de componentes eletrônicos, considerando sistemas biológicos por exemplo como hardware.
Na ciência da computação, a disciplina que trata das soluções de projeto de hardware é conhecida como Arquitetura de Computadores.

## Bit

Bit (simplificação para dígito binário, “BInary digiT” em inglês) é a menor unidade de informação usada na Computação e na Teoria da Informação. Os componentes de hardware de um computador trabalham unicamente com bits. Um bit é considerado geralmente como um sinal elétrico, que pode assumir dois estados distintos (ligado ou desligado) que assumem os valores abstratos de 0 e 1. Toda informação de uma máquina computacional é transformada em bits, que são manipulados e transformados no produto final conveniente.
Os bits são agrupados em forma de bytes. Um byte é um conjunto de 8 bits, que de acordo com sua posição e seu estado de ligado/desligado, assumem um valor de dado específico. Todas as combinações possíveis de oito bits podem ser encontrados em uma tabela ASCII.
Como os computadores trabalham com um grande volume de dados (e cada byte corresponde a "um caracter"), existem outras nomenclaturas para o agrupamento de bytes:
| Prefixo | Nome | Quantidade de bytes |
| KB | kilobyte | 2$^{10}$ = 1024$^1$ |
| MB | megabyte | 2$^{20}$ = 1024$^2$ |
| GB | gigabyte | 2$^{30}$ = 1024$^3$ |
| TB | terabyte | 2$^{40}$ = 1024$^4$ |

## Arquiteturas de computadores

A arquitetura dos computadores pode ser definida como "as diferenças na forma de fabricação dos computadores". Com a popularização das máquinas computacionais surgiu a necessidade de integração de diversos equipamentos de fabricantes muitas vezes diferentes, o que levou à criação de padrões de arquitetura. Das diversas arquiteturas já construídas, duas foram as que mais se popularizaram: o PC(Personal Computer ou em português Computador Pessoal), desenvolvido pela empresa IBM, que tornou-se o padrão dominante atualmente e o Macintosh desenvolvido pela empresa Apple. Estas duas arquiteturas servirão para compreendermos os dois modelos de arquitetura: aberta e fechada.

### Arquitetura aberta

A arquitetura aberta, (a actualmente mais utilizada, criada inicialmente pela IBM) consiste em permitir que outras empresas fabriquem computadores com a mesma arquitetura permitindo que o usuário tenha uma gama maior de opções e possa montar seu próprio computador de acordo com suas necessidades, com custos que se enquadrem a cada usuário. No entanto, podem ocorrer problemas como conflito de hardware, pirataria e o surgimento de assistência pseudo-técnica.

### Arquitetura fechada Criado por André Sousa SMA

A arquitetura fechada consiste em empresas terem controle sobre outras empresas que fabricam computadores dessa arquitetura, fazendo com que os conflitos de hardware diminuam muito, o computador funcione mais rápido e com melhor qualidade. No entanto, nesse tipo de arquitetura, o utilizador está restringido a escolher dentre os produtos da empresa e não pode montar seu próprio computador.
Neste momento, a Apple não pertence exactamente a uma arquitectura fechada, mas a ambas as arquitecturas, sendo a única empresa que produz computadores que podem executar seu sistema operacional de forma legal, mas também participando do mercado de compatíveis IBM.

## Principais Componentes de um Computador

Chamaremos, para conveniência a partir de agora, toda e qualquer máquina computacional (de qualquer origem) de computador, apenas faremos distinção quando se torne necessário. Analisaremos agora como um computador comum eletrônico é projetado. Logicamente, estas especificações são válidas para computadores eletrônicos somente e podem conter variações de fabricante para fabricante. No entanto, seu estudo serve para reconhecermos os componentes geralmente necessários e utilizados para atividades computacionais.

### Display

Podemos chamar de Display qualquer componente computacional que serve para visualização dos dados inseridos e processados pelo computador. Como seres humanos não podem trabalhar com os dados processados de forma binária, é necessário haver uma conversão destes dados para uma interface humana que permita visualizar e manipular os dados, sem a necessidade de mexer diretamente com os sinais elétricos que representam estes dados. A forma mais conhecida de display é a tela do computador (monitor).

### Placa-mãe

Placa-mãe, também denominada mainboard ou motherboard, é uma placa de circuito impresso eletrônico/electrónico. É considerado o elemento mais importante de um computador, pois tem como função permitir que o processador se comunique com todos os periféricos instalados. Na placa-mãe encontramos não só o processador, mas também a memória RAM, os circuitos de apoio, as placas controladoras, os conectores do barramento PCI e os chipset, que são os principais circuitos integrados da placa-mãe, responsáveis pelas comunicações entre o processador e os demais componentes.

### CPU

CPU (Central Processing Unit, ou Unidade Central de Processamento) ou processador é a parte de um computador que interpreta e leva as instruções contidas no software. Na maioria das CPUs, essa tarefa é dividida entre uma unidade de controle que dirige o fluxo do programa e uma ou mais unidades de execução que executam operações em dados.
Quase sempre, uma coleção de registros é incluída para manter os operadores e intermediar os resultados.
Quando cada parte de uma CPU está fisicamente em um único circuito integrado ela é chamada de microprocessador. Praticamente todas as CPU's fabricadas hoje são microprocessadores.
O termo CPU é freqüentemente usado de forma pouco precisa para incluir outras partes centricamente importantes de um computador, tais como caches e controladores de entrada/saída, especialmente quando aquelas funções estão no mesmo chip microprocessador da CPU.
Os fabricantes de computadores de mesa equivocada e frequentemente descrevem como CPU o computador pessoal inteiro, chamando-o de a unidade de sistema ou, algumas vezes, a caixa branca, incluindo o gabinete do computador e os componentes sólidos (termo genérico "hardware" em inglês) que ele contém. Corretamente, a CPU, como unidade funcional, é aquela parte do computador que realmente executa as instruções (somar, subtrair, multiplicar, mudar de posição, etc.)
Uma família de esquemas (ou desenho interno) de uma CPU é frequentemente referida como uma "arquitetura de CPU".

#### Microprocessador

O microprocessador moderno é um circuito integrado formado por uma camada chamada de mesa epitaxial de silício, trabalhada de modo a formar um cristal de extrema pureza, laminada até uma espessura mínima com grande precisão, depois cuidadosamente mascarada por um processo fotográfico e dopada pela exposição a altas temperaturas em fornos que contêm misturas gasosas de impurezas. Este processo é repetido tantas vezes quanto necessário à formação da microarquitetura do componente.
Responsável pelo processamento de dados e instruções do sistema, o microprocessador, escolhido entre as dezenas disponíveis no mercado, determina em certa medida a capacidade de processamento do computador e também o conjunto primário de instruções que ele compreende. O sistema operativo é construído sobre este conjunto.
O próprio microprocessador subdivide-se em várias unidades, consoante a arquitectura. ALU (Aritmetic and Logical Unit), unidade responsável pelos cálculos aritméticos e lógicos e os registros são parte integrante do microprocessador na família 80x86, por exemplo.
Embora seja a essência do computador, o microprocessador está longe de ser um computador completo. Para que possa interagir com o usuário é necessário que o microprocessador utilize os diversos outros componentes do computador.

### Memória RAM

Memória RAM (Random Access Memory), ou memória de acesso aleatório (randômico), é um tipo de memória de leitura e escrita utilizada em sistemas eletrônicos digitais. O termo acesso aleatório identifica a capacidade de acesso a qualquer posição em qualquer altura, por oposição ao acesso sequencial imposto por alguns dispositivos de armazenamento. Esta é uma memória volátil, e todo o seu conteúdo é perdido quando a alimentação da memória é desligada.
Algumas memórias RAM necessitam que os seus dados sejam frequentemente refrescados (atualizados), podendo então ser designadas por DRAM (Dynamic RAM) ou RAM Dinâmica. Por oposição, aquelas que não necessitam de refrescamento são normalmente designadas por SRAM (Static RAM) ou RAM Estática.
Do ponto de vista da sua forma física, uma memória RAM pode ser constituida por um circuito integrado DIP ou por um módulo SIMM, DIMM, SO-DIMM, etc.
A capacidade de uma memória é medida em Bytes, kilobytes, megabytes ou gigabytes.
A velocidade de funcionamento de uma memória é medida em Hz ou MHz. Este valor está relacionado com a quantidade de blocos de dados que podem ser transferidos durante um segundo. Existem no entanto algumas memórias RAM que podem efetuar duas transferências de dados no mesmo ciclo de relógio, duplicando a taxa de transferência de informação para a mesma frequência de trabalho.
A memória de trabalho de um computador é constituída por RAM. É nesta memória que são carregados os programas em execução e os respectivos dados do utilizador. Uma vez que se trata de memória volátil, os seus dados são perdidos quando o computador é desligado. Para evitar perdas de dados, é necessário salvar a informação para suporte não volátil (por ex. disco rígido).
Para acelerar os acessos a memória de trabalho, utiliza-se normalmente uma memória cache.

### Disco rígido (HD)

Disco rígido, popularmente chamado de HD (do inglês Hard Disk; o termo "winchester" há muito já caiu em desuso), é a parte do computador onde são armazenadas as informações, ou seja, é a "memória permanente" propriamente dita (não confundir com "memória RAM"). É caracterizado como memória física, não-volátil, que é aquela na qual as informações não são perdidas quando o computador é desligado.
O disco rígido é um sistema lacrado contendo discos de metal recobertos por material magnético onde os dados são gravados através de cabeças, e revestido externamente por uma proteção metálica que é presa ao gabinete do computador por parafusos. É nele que normalmente gravamos dados (informações) e a partir dele lançamos e executamos nossos programas mais usados.
Este sistema é necessário porque o conteúdo da memória RAM é apagado quando o computador é desligado. Desta forma, temos um meio de executar novamente programas e carregar arquivos contendo os dados da próxima vez em que o computador for ligado. O disco rígido é também chamado de memória de massa ou ainda de memória secundária. Nos sistemas operativos mais recentes, o disco rígido é também utilizado para expandir a memória RAM, através da gestão de memória virtual.
Existem vários tipos de discos rigidos diferentes: IDE/ATA, Serial_ATA, SCSI, Fibre channel. A partir de 2010 começam a se popularizar o SSD( Solid State Disc), baseado em memória flash e que suporta impactos de até 1000 vezes a força da gravidade.

### Periféricos

Periféricos são aparelhos ou placas que enviam ou recebem informações do computador.
Em informática, o termo periférico aplica-se a qualquer equipamento acessório que seja conectado à CPU (unidade central de processamento). São exemplos de periféricos as impressoras, o scanner, leitores e ou gravadores de CDs e DVDs, leitores de cartões e disquetes, mouse, teclado, Webcams, dentre outros.
Cada periférico tem sua função definida e executa ou envia tarefas ao computador de acordo com essa função. Dentre muitos periféricos existentes podemos citar teclado (envia ao computador informações digitadas pelo operador), mouse (permite o envio de informações por meio do acionamento de botões virtuais) impressora (recebe informação do computador e imprime essas informações no papel), placa de Som (recebe informações de som vindas do processador e envia à caixa de som), sistemas sensíveis ao toque, calor, luz, impressoras, modem, óculos de simulação, controladores de jogos (joystick), caixas de som, etc.
Existem três tipos de periféricos: os periféricos de entrada (enviam informação para o computador teclado, mouse, microfone); os periféricos de saída (recebem informação do computador monitor, impressora, colunas, headfones); e os periféricos mistos (enviam/recebem informação para/do computador ecrans tacteis, cd's, dvd's, telefones VOIP).

### BIOS ou EFI

BIOS, em computação, é a sigla para Basic Input/Output System (Sistema Básico de Entrada/Saída) ou Basic Integrated Operating System (Sistema de Operação Básico Integrado). A BIOS é o primeiro programa executado pelo computador ao ser inicializado. Sua função primária é preparar a máquina para que outros programas, que podem estar armazenados em diversos tipos de dispositivos (discos rígidos, disquetes, CDs, etc) possam ser executados. A BIOS é armazenada num chip ROM (Read-Only Memory, Memória de Somente Leitura) localizado na placa-mãe, chamado ROM BIOS.
EFI (Extended Firmware Interface) é uma interface criada pela Intel para substituir o velho BIOS.

### Barramento

Barramento é um conjunto de linhas de comunicação que permitem a interligação entre dispositivos, como o CPU, a memória e outros periféricos.
O desempenho do barramento é medido pela sua largura de banda (quantidade de bits que podem ser transmitidos ao mesmo tempo).

### Dispositivos de multimídia

Dispositivos de multimídia são equipamentos que criam uma interação entre o usuário e o microcomputador que ele opera.
Durante os anos 90 houve uma grande expansão no mercado de multimidia para microcomputadores pessoais, a chegada de novos padrões de compactação sonora (MP3) e de compactação de vídeo (MPG, MP4, AVI etc.) tornaram então atrativos os "set's" de multimidia.
Hoje temos uma variedade de dispositivos enorme que engloba desde placas de som com diversos canais (compatíveis com padrões Dolbi-sorround por ex.) além de placas de vídeo de alta performance que renderizam imagens em altas resoluções e com os efeitos mais modernos da indústria visual.

## Resumo

* Hardware, Material ou Ferramental é a parte física da máquina computacional, ou seja, é o conjunto de componentes eletrônicos, circuitos integrados e placas, que se comunicam através de barramentos. Em contraposição ao hardware, o software é a parte lógica, ou seja, o conjunto de instruções e dados que é processado pelos circuitos eletrônicos do hardware.
* Os computadores comuns são constituídos de diversos componentes. Entre eles podemos enumerar o processador, o disco rígido, as memórias e os componentes de multimídia.hhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhh

## Exercícios

Responda as questões abaixo, declarando se são verdadeiras ou falsas:
Você pode se considerar apto a mudar para o próximo módulo se obtiver 90% de aproveitamento (4 acertos).