Hardware e Arquitetura de Computadores¶

Saber do que um computador é feito e como as peças conversam é a base de suporte técnico, infraestrutura, sistemas operacionais e desempenho (por que a máquina está lenta, o que falta?). Esta página explica os componentes e como se relacionam; para o que roda sobre eles, veja Sistemas operacionais; para ligar máquinas entre si, Redes.

Definição: hardware e software

Hardware é a parte física (placas, chips, cabos, dispositivos); software é a parte lógica (programas e dados). Um não funciona sem o outro: o firmware é o software gravado em um chip do próprio hardware (como a BIOS).

Visão geral: o modelo de Von Neumann¶

Um computador clássico tem processador (CPU), memória, armazenamento e dispositivos de entrada e saída (E/S), ligados por barramentos (caminhos de dados). Programas e dados ficam na memória; a CPU busca, decodifica e executa instruções em ciclos.

flowchart LR
    CPU[CPU<br/>UC + ULA + registradores + cache] <--> BUS[Barramentos<br/>dados, endereços, controle]
    BUS <--> RAM[Memória principal RAM]
    BUS <--> ARM[Armazenamento SSD/HD]
    BUS <--> ES[Entrada e saída<br/>teclado, vídeo, rede, USB]

Unidades de medida¶

Bit (0 ou 1) e byte (8 bits). Dados são medidos em múltiplos de byte.
Prefixos decimais (potências de 1000, usados por fabricantes de disco): kB, MB, GB, TB = 10³, 10⁶, 10⁹, 10¹² bytes.
Prefixos binários (potências de 1024, usados por sistemas operacionais e memória): KiB, MiB, GiB, TiB = 2¹⁰, 2²⁰, 2³⁰, 2⁴⁰ bytes. Por isso um disco de "1 TB" aparece como ~931 GiB no sistema.
Hexadecimal (base 16: 0-9, A-F) representa bytes de forma compacta (1 byte = 2 dígitos: 0xFF = 255); endereços de memória e cores usam hexadecimal.
Velocidade: Hz (ciclos por segundo; GHz para clock de CPU); taxas de transferência em bit/s (rede: Mbps, Gbps) e em byte/s (disco: MB/s) (o fator 8 confunde).

Gabinete, fonte e energia¶

Gabinete: estrutura (em geral metálica) que abriga e protege as peças, com ventilação; padrões de formato ATX, micro-ATX e mini-ITX definem o tamanho da placa-mãe suportada. Painel frontal (botões, USB, áudio) e traseiro (conexões da placa-mãe).
Fonte de alimentação: converte a tensão da tomada (corrente alternada) em tensões contínuas (3,3 V, 5 V, 12 V) para as peças. Dimensione pela potência (W) total e prefira fonte com certificação de eficiência (80 PLUS).
Instalação elétrica e proteção: a tomada deve ter aterramento (descarrega a eletricidade e protege pessoas e equipamentos). Dispositivos de proteção: filtro de linha (protege de ruídos e surtos leves), estabilizador (regula a tensão) e no-break (bateria que mantém o equipamento ligado na falta de energia: dá tempo de desligar com segurança; em servidores é essencial).
Segurança em laboratório: eletricidade estática (ESD) pode queimar componentes: toque em uma superfície metálica aterrada ou use pulseira antiestática antes de manusear peças; desligue e retire o cabo da tomada antes de abrir; organize cabos; não coma ou beba perto das máquinas; guarde as ferramentas.

Placa-mãe¶

Definição: placa-mãe (motherboard)

Placa principal onde se encaixam e se conectam processador, memória, placas de expansão, armazenamento e periféricos, com os circuitos (barramentos e chipset) que fazem tudo se comunicar.

Soquete do processador (conector específico de cada geração/fabricante; o processador só encaixa no soquete certo).
Slots de memória (DIMM), slots de expansão (PCI Express para vídeo, rede, armazenamento; os antigos ISA, PCI e AGP ficaram obsoletos), conectores SATA (discos; o antigo IDE/PATA foi substituído), M.2 (SSDs NVMe), USB, vídeo, áudio, rede e conectores de energia.
Chipset: conjunto de chips que coordena a comunicação. No modelo clássico, a ponte norte (northbridge) liga processador, memória e vídeo (alta velocidade) e a ponte sul (southbridge) cuida dos periféricos lentos; hoje a ponte norte foi integrada ao processador.
BIOS/UEFI (firmware): primeiro software a rodar ao ligar; guarda a configuração (Setup) com a ajuda de uma bateria (CR2032) e inicia o sistema operacional. UEFI é o sucessor moderno da BIOS (inicialização rápida, discos GPT acima de 2 TB, Secure Boot).
Dispositivos on-board (som, rede, vídeo integrados): barateiam o computador, mas usam recursos da CPU e da memória; placas dedicadas rendem mais.
Barramento (bus) é o caminho comum de dados entre componentes; sua largura (bits) e frequência definem a vazão.

Processador (CPU)¶

Unidade de controle (UC): busca e decodifica as instruções; ULA (unidade lógica e aritmética): executa cálculos e comparações; registradores: pequenas memórias dentro da CPU (de uso geral e especiais, como o contador de programa).
Clock (GHz): ritmo dos ciclos; núcleos (cores) e threads permitem executar vários fluxos em paralelo; cache L1/L2/L3 guarda dados próximos à CPU; arquitetura de 64 bits endereça mais memória; TDP indica o calor dissipado, e o processador precisa de dissipador/cooler com pasta térmica.
Desempenho não é só GHz: depende de núcleos, cache, arquitetura (instruções por ciclo) e da memória.
Arquiteturas: x86-64 (Intel/AMD) e ARM (celulares, Apple Silicon, servidores): CISC x RISC são filosofias de conjunto de instruções.

Memória¶

Tipo	Característica	Uso
Registradores e cache	Mais rápidos e menores; dentro da CPU	Dados em uso imediato
RAM (memória principal)	Volátil (perde o conteúdo ao desligar); acesso aleatório	Programas e dados em execução. DRAM (precisa de atualização), SRAM (cache), SDRAM/DDR (DDR4, DDR5: várias operações por ciclo)
ROM e derivadas	Não volátil	Firmware: PROM, EPROM, EEPROM e memória flash (base dos SSDs e pen drives)
Memória virtual	Disco usado como extensão da RAM	Evita falta de memória; muito mais lenta (SO)

Hierarquia de memória: quanto mais perto da CPU, mais rápida, cara e menor. Módulos em dual channel e capacidade suficiente evitam gargalos; se o sistema usa muito swap, falta RAM.

Armazenamento¶

Tecnologia	Como funciona	Observações
HD (disco rígido)	Pratos magnéticos giratórios e cabeças de leitura; mecânico	Barato por GB; lento e sensível a impacto
SSD	Memória flash, sem partes móveis	Muito mais rápido, silencioso e resistente; interfaces SATA e NVMe (PCIe)
Óptico (CD, DVD, Blu-ray)	Laser lê pontos gravados (Blu-ray usa laser azul-violeta, 405 nm, maior capacidade)	Em desuso
Pen drive / cartão	Flash em formatos diversos	Portátil

Para usar um disco: particionar (dividir em partes, MBR ou GPT), formatar (criar o sistema de arquivos: FAT32, NTFS, ext4...) e, se for inicializar um sistema, instalar um gerenciador de boot (GRUB, Windows Boot Manager) (sistemas de arquivos). Formatação física (de fábrica) x lógica (estrutura de arquivos). Verificação de erros: chkdsk (Windows), fsck (Linux), SMART. RAID e LVM em Sistemas operacionais. Backup é indispensável: disco falha.

Vídeo, áudio e monitores¶

Placa de vídeo (GPU): processa gráficos; integrada à CPU ou dedicada (com memória própria), essencial para jogos, edição e IA/computação paralela.
Monitores: LCD/LED (cristal líquido iluminado por LED), OLED; características: resolução (pixels: Full HD 1920x1080, 4K), taxa de atualização (Hz), tamanho, painel (IPS, VA, TN) e conexões (HDMI, DisplayPort, USB-C; os antigos VGA e DVI).
Áudio: placas ou chips integrados convertem o áudio digital (arquivos, ex.: MP3) em sinal analógico para caixas e fones.

Instalação de dispositivos e portas¶

Drivers: software que permite ao SO usar um dispositivo; instale o correto para o SO e a versão. Plug and Play (PnP) detecta e configura automaticamente.
Interrupções (IRQ): canal pelo qual um dispositivo "chama a atenção" da CPU; conflitos eram comuns antes do PnP.
Portas: USB (A/B/C; padrão universal, alimenta dispositivos), serial e paralela (obsoletas), Thunderbolt, rede RJ-45. Padrões de teclado (ABNT2 tem "ç").
Setup (BIOS/UEFI): menus de configuração: Main (data/hora, discos), Advanced (CPU, portas), Boot (ordem de inicialização), Security (senha), Exit (salvar/descartar/valores padrão). Atualizar o firmware resolve incompatibilidades, mas é arriscado: siga o manual.

Montagem e manutenção: roteiro¶

Planejar a compatibilidade (soquete da CPU, tipo de RAM, fonte, gabinete).
Preparar: aterrar-se, bancada limpa, ferramentas (chave Phillips).
Montar: processador e cooler na placa fora do gabinete, memória, placa na caixa, discos, fonte, cabos de energia e dados, painel frontal.
Primeira ligação (POST): Power-On Self-Test verifica o hardware; bipes e códigos indicam falhas; entre no Setup, confira o reconhecimento.
Instalar o SO e drivers, atualizar e testar.
Manutenção preventiva: limpeza de poeira, troca de pasta térmica, verificação de temperatura, backups; corretiva: isolar a peça defeituosa por substituição de componentes.

Para responder em entrevista¶

Pergunta	Ideias para a resposta
"O que acontece quando você liga o computador?"	Energia → POST (BIOS/UEFI) → procura o dispositivo de boot → carrega o gerenciador → kernel → serviços
"Diferença entre RAM e armazenamento?"	RAM: volátil e rápida, programas em execução; armazenamento: persistente e mais lento
"HD x SSD?"	Mecânico x flash; SSD é muito mais rápido e resistente, mais caro por GB
"Por que o computador está lento?"	Pouca RAM (swap), disco cheio ou HD, CPU saturada ou superaquecida, programas na inicialização, malware; medir antes de trocar
"O que é cache?"	Memória pequena e rápida perto da CPU que guarda dados usados com frequência
"Quantos bits em 1 GB?"	Depende: 1 GB = 10⁹ bytes (decimal) ou 1 GiB = 2³⁰ bytes; 8 bits por byte