CD

Por Guilherme Farias em 04 de fevereiro de 2009

CD (Compact Disk)
[fonte: HowStuffWorks Brasil]

Introdução
Os CDs e os DVDs estão em toda parte. Sejam usados para armazenar música, dados ou software de computador, eles se tornaram a mídia padrão para a distribuição de grandes quantidades de informações em um pacote confiável. Se você tem um computador e uma unidade de CD-R (com capacidade de gravação), pode criar seus próprios CDs, incluindo ali as informações que desejar.

Neste artigo, vamos dar uma olhada em como funcionam os CDs e as unidades de CD. Também vamos ver as diferentes formas de CDs e o que o futuro reserva para essa tecnologia.

Entendendo o CD: material

Como foi discutido em Como funcionam as gravações analógica e digital, um CD pode armazenar até 74 minutos de música, de modo que a quantidade total de dados digitais que deve ser armazenada em um CD é de:
44.100 amostras/canal/segundo x 2 bytes/amostra x 2 Canais x 74 minutos x 60 segundos/minuto = 783.216.000 bytes

Encaixar mais de 783 megabytes (MB) em um disco de somente 12 cm de diâmetro requer que os bytes individuais sejam muito pequenos. Examinando a construção física de um CD, você pode começar a entender quão pequenos são esses bytes.
Um CD é um pedaço de plástico bastante simples, com cerca de 1,2 mm de espessura. A maior parte de um CD consiste de uma peça de plástico de policarbonato transparente moldada por injeção. Durante a fabricação, esse plástico é impresso com sulcos microscópicos dispostos como uma trilha de dados em espiral, contínua e extremamente longa. Vamos falar desses sulcos daqui a pouco. Assim que a peça transparente de policarbonato é formada, uma fina camada refletora de alumínio é micropulverizada sobre o disco, cobrindo os sulcos. Em seguida, uma fina camada de acrílico é pulverizada sobre o alumínio para protegê-lo. A etiqueta é então impressa sobre o acrílico. Uma seção transversal de um CD completo (fora de escala) se parece com isto:

Entendendo o CD: a espiralUm CD possui uma trilha espiral de dados que circula do lado interno para o lado externo do disco. O fato de a trilha espiral começar no centro significa que o CD pode ser menor do que 12 cm, se desejado e, de fato, há cartões de figurinhas de beisebol e cartões de visitas que você pode colocar em um CD player. Os cartões de visita em CD guardam aproximadamente 2 MB de dados antes que o tamanho e o formato do cartão interrompam a espiral.

O que a foto à cima nem sequer permite imaginar é o tamanho incrivelmente pequeno da trilha de dados: ela tem aproximadamente 0,5 mícron de largura, com 1,6 mícron separando uma trilha da próxima (um mícron é um milionésimo de um milímetro). E os sulcos são ainda menores…

Os sulcos na trilha de um CD
Cada sulco alongado que compõe a trilha tem 0,5 mícron de largura, comprimento mínimo de 0,83 mícron e altura de 125 nanômetros (um nanômetro é um bilionésimo de um metro.) Olhando os sulcos através da camada de policarbonato, eles se parecem com isto:

Você freqüentemente ouvirá falar de “pits” em vez de sulcos do CD. Eles aparecem como “dentes” no lado do alumínio, mas são sulcos no lado de leitura do laser.
As dimensões incrivelmente pequenas dos sulcos formam uma trilha espiral extremamente longa. Se você pudesse arrancar a trilha de dados de um CD e esticá-la em uma linha reta, ela teria 0,5 mícron de largura e quase 5 quilômetros de comprimento!
Para ler algo assim tão pequeno você precisa de um mecanismo de leitura de disco extremamente preciso. Vamos dar uma olhada nisso.

Componentes do CD player
O CD player tem o trabalho de localizar e ler os dados armazenados como sulcos no CD. Considerando o tamanho extremamente pequeno dos sulcos, o CD player é um equipamento de precisão excepcional. A unidade consiste em três componentes fundamentais:
*Um motor para girar o disco. É controlado com precisão para girar entre 200 e 500 rpm, dependendo de qual trilha é lida.
*Um laser e um sistema de lentes que focalizam e lêem os sulcos do CD.
*Um mecanismo de rastreamento que move o conjunto do laser para que seu feixe possa acompanhar a trilha espiral. O sistema de rastreamento deve ser capaz de mover o laser em deslocamentos da ordem de 1 mícron (1 milésimo de milímetro).

O que o CD player faz: foco do laser
No interior do CD player há bastante tecnologia de computador envolvida na formação dos dados em blocos compreensíveis e em seu envio para o DAC (conversor digital para analógico, no caso de um CD de áudio) ou para o computador (no caso de uma unidade de CD-ROM).
O trabalho fundamental do CD player é focalizar o laser sobre a trilha de sulcos. O feixe de laser passa através da camada de policarbonato, é refletido na camada de alumínio e atinge o dispositivo optico-eletrônico que detecta mudanças na luz. Os ressaltos refletem a luz diferentemente das “lands” (espaço entre so sulcos na camada de alumínio), e o sensor optico-eletrônico detecta essa mudança na refletividade. A eletrônica da unidade interpreta as mudanças na refletividade para ler os bits que compõem os bytes.

O que o CD player faz: rastreamento
A parte mais difícil é manter o feixe de laser centralizado sobre a trilha de dados. Essa centralização é o trabalho do sistema de rastreamento. O sistema de rastreamento tem de mover continuamente o laser para fora à medida que toca o CD. Conforme o laser se move para fora, a partir do centro do disco, os sulcos passam cada vez mais rápido pelo laser: isso acontece porque a velocidade linear, ou tangencial, dos sulcos é igual ao raio vezes a velocidade na qual o disco está girando (rpm). Assim, à medida que o laser se move para fora, o motor de rotação do disco deve diminuir a velocidade do CD. Desse modo, os sulcos se deslocam diante do laser a uma velocidade constante, e os dados saem do disco em uma taxa constante.

[FOTO 06]

Aspectos da codificação no CD
Se você tiver uma unidade de CD-R e quiser produzir seus próprios CDs de áudio ou CD-ROMs, uma das grandes coisas que terá a seu favor é o fato de que o software pode manipular todos os detalhes para você. Você pode dizer para o software, “Grave estas músicas neste CD,” ou “Salve estes arquivos de dados neste CD-ROM” e o software fará o resto. Graças a isso, você não precisa saber nada a respeito de formatação de dados do CD para criar seus próprios CDs. Mas a formatação de dados do CD é tão complexa e interessante que vamos falar um pouco disso.
Para entender como os dados são armazenados num CD, você precisa entender todas as diferentes condições que os projetistas da metodologia de codificação de dados tiveram que manipular. Aqui está uma lista razoavelmente completa:
*Como o laser está rastreando a espiral de dados usando os sulcos, não pode haver espaços extensos sem sulcos na trilha de dados. Para solucionar esse problema, os dados são codificados usando EFM (eight-fourteen-modulation ou modulação 8-14). Na EFM, bytes de 8 bits são convertidos para 14 bits, e a EFM garante que alguns desses bits serão 1s.
*Como o laser deve querer se mover entre as canções, os dados devem ser codificados na música para informar à unidade “onde ela está” no disco. Esse problema é solucionado usando o que é conhecido como dados de subcode. Os dados de subcode podem codificar a posição absoluta e relativa do laser na trilha e também podem codificar coisas como os títulos das músicas.
*Como o laser pode ler incorretamente um sulco, há necessidade de códigos de correção de erros para manipular os erros de um único bit. Para solucionar esse problema, bits de dados adicionais são acrescentados para permitir que a unidade detecte e corrija os erros de um único bit.
*Como um arranhão ou uma mancha de sujeira no CD podem fazer com que todo um pacote de bytes seja lido incorretamente (o que é conhecido como “burst erro” ou erro de rajada), a unidade precisa ser capaz de se recuperar de tal evento. Esse problema é solucionado por meio do entrelaçamento dos dados no disco, para que eles sejam armazenados de modo não-seqüencial ao redor do disco. Na verdade, a unidade lê os dados uma revolução por vez e desentrelaça os dados para poder reproduzi-los.
*Se alguns poucos bytes forem lidos incorretamente em uma música, a pior coisa que poderá acontecer é um pequeno chiado durante a reprodução. Entretanto, quando os dados são armazenados em um CD, qualquer erro de dado pode ser catastrófico. Assim, códigos de erro adicionais são usados quando se armazena dados em um CD-ROM.

Formatos de dados de CD
Há diversos formatos diferentes usados para armazenar dados em um CD, alguns amplamente usados e outros esquecidos há muito tempo. Os dois mais comuns são o CD-DA (áudio) e o CD-ROM (dados de computador).
Para mais informações sobre CDs e assuntos relacionados, visite os links na próxima página.

Como funcionam as placas de vídeo

Por Guilherme Farias em 28 de janeiro de 2009

Introdução
As imagens que você vê em seu monitor são formadas por pequenos pontos chamados pixels. Mesmo nas resoluções mais baixas, a tela exibe mais de um milhão de pixels e o computador tem que decidir o que fazer com cada um deles para criar uma imagem. Nesse processo, ele precisa da ajuda de um tradutor. Algo que possa transformar os dados binários da CPU em imagens que você possa ver. A menos que o computador tenha capacidade de processamento gráfico embutido na placa-mãe, a tradução acontece na placa de vídeo.
O trabalho de uma placa de vídeo é complexo, mas seus componentes e princípios são fáceis de entender. Neste artigo, vamos examinar os componentes básicos de uma placa de vídeo e saber qual é a função de cada um deles. Também vamos analisar o que possibilita uma placa de vídeo rápida e eficiente.

A placa de vídeo cria as bordas de uma imagem e depois as preenche com texturas e sombras

Informações básicas sobre as placas de vídeo
Pense em um computador como se ele fosse uma empresa com seu próprio departamento de arte. Quando alguém na empresa precisa de alguma peça de arte, pede ajuda a esse departamento. Esse departamento decide como criar a imagem e coloca a idéia no papel. O resultado final é a idéia materializada em uma figura visível e real.

Uma placa de vídeo funciona da mesma maneira. A CPU trabalha em conjunto com os aplicativos e envia informações sobre a imagem para a placa de vídeo. Então a placa decide como usar os pixels na tela para criar a imagem, enviando depois essa informação para o monitor através de um cabo.

Criar imagens a partir de dados binários é um processo trabalhoso. Para criar uma imagem 3-D, a placa de vídeo desenha primeiro as bordas da imagem com linhas simples. Depois, ela preenche a imagem, criando os pixels restantes. No fim, ela também adiciona efeitos de luz, texturas e cores. Nos jogos modernos, o computador faz esse processo cerca de sessenta vezes por segundo. Sem uma placa de vídeo para executar os cálculos necessários, o trabalho poderia sobrecarregar o computador.
As placas de vídeo cumprem essa tarefa utilizando quatro componentes principais:
*uma conexão com a placa-mãe para trocar dados e alimentação de energia;
*um processador para decidir o que fazer com cada pixel na tela;
*memória para armazenar informação sobre cada pixel e para salvar temporariamente imagens completas;
*uma conexão com o monitor para você poder ver o resultado final.

A evolução das placas de vídeo
As placas de vídeo evoluíram bastante desde que a IBM criou o primeiro modelo, em 1981. Ele se chamava adaptador de visor monocromático (Monochrome Display Adapter – MDA) e só exibia textos em verde ou branco numa tela preta. Hoje o padrão mínimo das novas placas de vídeo é a matriz de gráficos e vídeo (Video Graphics Array – VGA), que exibe 256 cores. Os padrões de alta perfomance como a matriz quântica gráfica extendida (Quantum Extended Graphics Array – QXGA) podem exibir milhões de cores em resoluções que chegam a 2040 x 1536 pixels.

Processador e memória
Semelhante a uma placa-mãe, a placa de vídeo é uma placa com circuito impresso que abriga um processador e memória RAM. Ela também tem um chip com sistema de entrada/saída, chamado BIOS, que armazena as configurações da placa, diagnósticos da memória e dados de entrada e saída durante a inicialização.
O processador de placa de vídeo, chamado de unidade de processamento gráfico (graphics processing unit – GPU), é semelhante a uma CPU. A diferença é que a GPU foi criada especificamente para executar complexos cálculos matemáticos e geométricos necessários para a renderização gráfica. Algumas GPUs têm mais transistores do que uma CPU comum. Esses processadores gráficos geram muito calor, por isso são posicionados debaixo de um ventilador (cooler) ou dissipador de calor.

Além de seu poder de processamento, a GPU usa uma programação especial para ajudá-la a analisar e utilizar os dados. As empresas ATI e nVidia produzem a grande maioria das placas de vídeo disponíveis no mercado e cada uma desenvolveu um projeto visando melhorar o desempenho das placas. Para melhorar a qualidade da imagem, os processadores usam:
*suavização de cena completa (full scene anti aliasing – FSAA), que suaviza as bordas de objetos 3D;
*filtro anisotrópico (anisotropic filtering – AF), que torna as imagens mais nítidas.

Cada empresa também desenvolveu técnicas específicas para ajudar a GPU a utilizar cores, sombras, texturas e padrões.
Enquanto a placa cria novas imagens, também precisa armazenar em algum lugar as informações sobre as figuras já criadas. Essa informação é armazenada na memória RAM. São guardados dados sobre cada pixel, sua cor e localização na tela. Uma parte da memória RAM também funciona como memória temporária, que armazena imagens completas até o momento de exibi-las. Geralmente, a memória RAM de vídeo opera em altíssima velocidade e o sistema pode ler e escrever informações ao mesmo tempo.
A memória RAM está conectada diretamente ao conversor digital-analógico, conhecido como DAC (digital-to-analog converter). Esse conversor, também chamado RAMDAC, traduz a imagem para um sinal analógico que o monitor pode utilizar. Algumas placas possuem múltiplos RAMDAC que podem melhorar o desempenho e suportam mais de um monitor.

Gráficos integrados (on-board)
Muitas placas-mãe têm capacidade gráfica integrada (on-board) e funcionam sem uma placa de vídeo independente. Essas placas-mãe podem facilmente criar imagens 2D e são indicadas para aplicações de Internet e trabalhos mais comuns, como edição de textos. Ao conectar uma placa de vídeo na placa-mãe, você cancela suas capacidades gráficas nativas.

Conectores ADC
Há algum tempo, a Apple criou uma conexão exclusiva chamada ADC (conector de visor Apple – Apple Display Connector). Esses monitores ainda são utilizados, mas os novos monitores da Apple utilizam uma conexão DVI.

Entrada e saída
As placas de vídeo se conectam ao computador através da placa-mãe. A placa-mãe fornece energia para a placa de vídeo e permite que ela se comunique com a CPU. As placas de vídeo mais recentes precisam de mais energia do que aquela que a placa-mãe pode oferecer. É por essa razão que elas também se conectam diretamente com a fonte de energia do computador.
Existem três interfaces de conexão entre as placas de vídeo e a placa-mãe:
*Componente de interconexão de periféricos – Peripheral component interconnect (PCI)
*Porta aceleradora gráfica – Advanced graphics port (AGP)
*PCI Express (PCIe)

PCI Express é uma novidade e fornece as taxas mais rápidas de transferência de dados entre a placa de vídeo e a placa-mãe. PCIe também suporta a utilização de duas placas de vídeo no mesmo computador.
A maioria das placas de vídeo tem dois conectores para monitores. Geralmente, um é um conector DVI que suporta LCD (tela de cristal líquido) e o outro é um VGA que funciona com monitores que utilizam CRT (tubo de raios catódicos). Algumas placas de vídeo têm duas conexões DVI. Mesmo assim, é possível usar uma tela CRT por meio de um adaptador.
A maioria das pessoas utiliza apenas uma das conexões de monitor. As pessoas que precisam usar dois monitores devem adquirir uma placa de vídeo com capacidade para exibir o sistema operacional dividido em duas telas. Esse recurso se chama dual head capability. Teoricamente, um computador com duas placas de vídeo PCIe poderia suportar quatro monitores.

Essa placa de vídeo Radeon X800XL tem conexões DVI, VGA e ViVo

Além de conexões para a placa-mãe e para o monitor, algumas placas de vídeo têm conexões para:
*TV: saída para TV ou S-vídeo;
*Câmeras de vídeo analógicas: ViVo ou video in/video out;
*Câmeras digitais: FireWire ou USB.
Algumas placas ainda têm a capacidade de reproduzir canais de TV convencional.
Agora vamos analisar os fatores que influenciam na eficiência e velocidade das placas de vídeo.

DirectX e Open GL
DirectX e Open GL são interfaces de programação de aplicativos ou APIs (application programming interfaces). Uma API ajuda a tornar a comunicação entre hardware e software mais eficiente. Ela fornece instruções para a realização de tarefas complexas como a renderização 3D. Os desenvolvedores otimizam os jogos com gráficos intensos para APIs específicas. É por isso que os jogos novos sempre requerem versões atualizadas do DirectX ou Open GL para funcionar corretamente.
Uma API é diferente de um driver. Um driver é um programa que permite a comunicação de um hardware com o sistema operacional do computador. É importante ter APIs e drivers sempre atualizados para os programas funcionarem corretamente.

Desempenho das placas de vídeo
É fácil identificar uma placa de vídeo top de linha. Ela tem muita memória e um processador rápido. Muitas placas de alto desempenho têm ilustrações e ventiladores ou dissipadores decorativos.
Mas uma placa tão moderna oferece muito mais poder do que as pessoas realmente precisam. As pessoas que usam o computador basicamente para e-mail, edição de texto e Internet serão perfeitamente atendidas por uma placa de vídeo integrada na placa-mãe. Uma placa com desempenho mediano é suficiente para a maioria dos jogadores casuais. Quem precisa de uma placa ultramoderna são os entusiastas de jogos e as pessoas que trabalham com programas 3D.

Placas como a ATI All-in-Wonder possuem conexão para TV e vídeo, além de um seletor de canais de TV

Uma boa forma de avaliar o desempenho de uma placa é por meio das taxas de frames, medidas em frames por segundo (frames per second – FPS). As taxas de frame informam quantas imagens completas a placa consegue exibir a cada segundo. O olho humano consegue perceber cerca de 25 frames por segundo, mas jogos de ação rápida requerem uma taxa de pelo menos 60 frames por segundo para exibir uma animação suave. Os componentes das taxas de frame são:
*triângulos ou vértices por segundo: as imagens 3-D são formadas por triângulos ou polígonos. Essa medição informa a velocidade em que a GPU consegue calcular o polígono inteiro e os vértices que o definem. Geralmente essa informação diz a velocidade com que a placa consegue formar a borda de uma imagem;
*taxa de preenchimento de pixels (pixel fill rate): essa informação descreve quantos pixels a GPU pode processar em um segundo, o que se traduz na velocidade com que a placa consegue rasterizar a imagem.
O hardware da placa de vídeo afeta diretamente sua velocidade. Essas são as especificações de hardware que mais afetam a velocidade da placa de vídeo e as unidades em que são medidas:
*velocidade do clock da GPU (MHz)
*tamanho da memória bus (bits)
*quantidade de memória disponível (MB)
*taxa do clock da memória (MHz)
*largura de banda da memória (GB/s)
*velocidade RAMDAC (MHz)
A CPU e a placa-mãe também desempenham um papel importante na velocidade, já que uma placa de vídeo rápida não pode substituir a incapacidade de distribuição rápida de dados de uma placa-mãe lenta. A conexão da placa de vídeo com a placa-mãe e a velocidade com a qual ela consegue pegar informações da CPU também afetam o desempenho.

Overclock
Algumas pessoas conseguem melhorar o desempenho da placa de vídeo manualmente, ao configurar sua velocidade de medidor para uma taxa mais rápida. Isso é conhecido como overclocking. Geralmente as pessoas fazem overclock na memória, já que fazer esse processo na GPU pode causar superaquecimento. O overclock pode resultar em um melhor desempenho, mas também viola a garantia do fabricante

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