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MAC0499 – Trabalho de Formatura Supervisionado Monografia Previsão e prevenção de falhas em sistemas computacionais Segundo semestre de 2009 Supervisor Prof. Dr. Siang Wun Song Integrantes Daniel Hanna Leite El 1 p Thiago Miranda Ferre MAC0499 – Trabalho Sumário 1. Introdução 2. Breve descrição dos conceitos utilizados 2. 1 . Contexto histórico 2. 2. Reguladores lineares 2. 3. Reguladores chaveados 2. 4. Tipos de filtro 2. 4. 1. Low-pass 2. 4. 2. High-pass 2. 4. 3. Implementação de filtros 2. 4. 4. Capacitores 2. 4. 5. Indutores 2. 5. Funcionamento dos reguladores . 5. 1 . ontrolador VRM onado 2009 exercer papéis fundamentais em ambientes corporativos, quaisquer que sejam seus ramos de atuação no mercado. Neste contexto, torna-se desejável a existência de um projeto que objetiva estudar a previsão e prevenção de falhas em sistemas computacionais. A intenção deste trabalho é criar uma metodologia mais abrangente e completa do que as já conhecidas SMART e POST- Desta forma, temos como objetivo trabalhar em três etapas básicas: estudo de falhas de software, estudo de falhas em hardware X86, e um estudo sobre uma possiVel nteração entre estes dois tipos de falhas.

O projeto, que vem sendo desenvolvido desde meados de 2006, tem como tema “previsão e prevenção de falhas em sistemas computacionais e será desenvolvido através de uma série de análises sistêmicas de hardware e software, com foco em componentes de placas mãe diretamente ligados à CPU, além de técnicas de programação para contornar limitações provocadas por componentes de baixa qualidade, ou mesmo por desgastes ocasionados pelo envelhecimento natural dos mesmos, impedindo que determinados resultados sejam fielmente observados.

O principal objetivo deste projeto é obter sucesso na tentativa de antecipar falhas causadas por componentes desgastados elou de baixa qualidade, utilizando como base um sistema AMD de 32 bits. 3 21 Esta foi a primeira vez que este tipo de experimento foi realizado de forma prática e viável. A lâmpada incandescente, tal como a conhecemos hoje, produz luz através do aquecimento do filamento, ocasionado pela resistência do material à passagem de elétrons. Atualmente, devido à crise energética, novas tecnologias foram desenvolvidas com o objetivo de melhorar a eficiência dos sistemas de iluminação.

O LED (light -emitting diode) por exemplo, é um tipo de semicondutor, e foi produzido pela pnmelra vez em 1962, pela General Electric. Sua eficiência pode ser superior a 100 lúmens por watt. Ao contrário da lâmpada, não existe um padrão de vo tagem para os LEDs. Normalmente o intervalo varia entre 1. 8 V e 3. 7V, e o valor exato depende da temperatura do ambiente. Para simplificar, a malona dos projetos adiciona um resistor em série, limitando a corrente máxima no circuito. Fonte: Nichia Corporation 4 MAC0499 – Trabalho de Formatura Supervisionado 2009

Através de uma rápida análise dos gráficos anteriores, e supondo uma temperatura de 250C, temos o seguinte esquema: Fonte: Imagem ilustrativa criada ra o projeto solução só funciona para valores de tensão próximos de 6V pois, acima deste valor, existe a possibilidade do LED ser danificado, ou ainda do mesmo não emitir luz, caso a tensão fique muito baixa. Para contornar esta situação, foram desenvolvidos os reguladores lineares. 5 MAC0499 2. 2 — Trabalho de Formatura Supervisionado 2009 Reguladores lineares Exemplo da estrutura interna do regulador Fonte: National Semiconductor

Os reguladores lineares atuam como o resistor do esquema visto anteriormente, e possuem a vantagem de ajustar a tensão do circuito de modo independente da corrente ou da tensão de entrada. Esta facilidade permitiu o uso deste tipo de circuito em diversas aplicações, inclusive nos microprocessadores. Exemplo de um regulador linear para 5V Fonte: Google imagens (busca pelo termo “regulador 7805”) De forma diferente dos LEDs, um processador pode aumentar o seu consumo dependendo da sua utilização, porém isto será abordad o na segunda parte deste trabalho. 6 4 21 Arduino

Com isso o LED ficará parte do tempo ligado e parte do tempo desligado. Para que o brilho pareça constante basta que a frequência fique suficientemente alta. Porém como podemos aplicar esse princípio para fornecer energia para os nossos equipamentos digitais? Uma maneira possível seria aplicar algum tipo de filtragem para suavizar os pulsos de modo a prod uzir uma saída de tensão constante. 7 2. 4 – Trabalho de Formatura Supervisionado 2009 Tipos de filtro para melhor entender o funcionamento dos filtros iremos citar os mais comuns e destacar suas propriedades. 2. 4. 1 Low-pass

Este tipo de filtro é muito u tilizado para remover componentes de alta frequência, e é comumente encontrado em fontes e sistemas de aquisição de dados. Quanto maior a freqüência do sinal, maior será a atenuação. O gráfico abaixo mostra a resposta de frequência para um filtro Bessel de segunda ordem (curva preta). Em vermelho, podemos o so de fase provocado pelo ressaltar que um parâmetro importante na escolha do filtro é a frequência de corte. Esta é determinada quando ocorre uma atenuação de um sinal puro de uma freqüência Fl em 3dB. Dizemos então que Fl é a frequência de corte. . 4. 3 Implementação de filtros Atualmente, graças aos avanços da indústria de semicondutores podemos implementar filtros de 4 maneiras diferentes: Filtros passivos Filtros ativos Filtros digitais Filtros por software Normalmente os filtros utilizados na conversão de energia são do tipo passivo, já que apenas eles toleram grandes quantidades de corrente com o menor custo. Voltando ao exemplo da modulação de pulso, e lembrando que podemos aplicar um filtro Low-pass para suavizar a ondulação dos pulsos, chegamos ao esquema abaixo: Estrutura simplificada de um regulador chaveado assíncrono.

Na figura, L e C são os componentes que constituem o filtro do regulador , e representam, respectivamente, o indutor e o capacitor. Para entender a função do diodo D, precisamos explicar um ouco sobre capacitares e indutores. dade de um Farad (F) quando um coulomb de carga causa uma diferença de potencial de um Volt (V) entre as placas. O Farad é uma unidade muito grande e por isso são utilizados valores expressos em microfarads (pF), nanofarads (nF) ou picofarads (pF).

Fonte: HyperPhysics A capacitância de um capacitor de placas paralelas , ambas com áreas A dênticas, separadas por uma distância constante d, é aproximadamente igual a: Onde, Cé a capacitância em Farads k é a constante dielétrica (relativa ao isolante) 80 é a permissividade eletrostática do vácuo 11 MAC0499 — Trabalho de Formatura Supervisionado 2009 Para capacitores eletrolíticos, a área da superfície entre as placas é aumentada até 150 vezes, através de um processo de corrosão induzido durante sua produção.

Entre estas placas encontra-se um papel impregnado com fluido eletrolítico que permite o transporte iônico entre os eletrodos. Corrugações das folhas de aluminio num microscópio eletrônico.

Fonte: Rubycon Corporation Os capacitores normalme ma vida útil dependente indutores pode ser representado pela equação abaixo: V L(di/dt) V é a tensão nos terminais do indutor Lé a indutância di/dt corresponde a variação instantânea da corrente que passa pelo indutor Quando temos um aumento na corrente que passa pelo indutor, surge uma tensão positiva entre os terminais, tal como representado abaixo: Fonte: National Corporation Por outro lado se houver uma diminuição da corrente, teremos uma tensão egativa no indutor, como pode ser visto abaixo: 13 Caso a corrente se torne constante, não teremos nenhuma tensão relevante no indutor. Com isso podemos entender melhor como o regulador funciona, basta ndo dividir a análise em duas partes. 2. Estado 1: com o transistor aberto Fonte: National Corporatio controlador de chaveamento. 14 2. 5. 1 Controlador VRM Na maioria das placas-mãe modernas o controlador identifica a tensão necessária através dos pinos VID. Através de uma porta de 5 bits, o processador informa o valor recomendado para manter o processador dentro de suas especificações. Arranjo de componentes ligados ao controlador. Em destaque encontram-se a porta de comunicação com a CPU. Fonte: Fairchild Semiconductor Para descobrir o valor correto, podemos utilizar a tabela fornecida pelo fabricante. É importante ressaltar que a tensão deve manter-se dentro de certos limites mesmo com grandes alterações na corrente. 5 MAC0499 – Trabalho de Formatura supervisionado 2009 Na tabela acima, estão representados os 32 códigos VID de 5 bits, seguidos pelos respectivos valores esperados em milivolts. A tabela se aplica aos processadores Athlon. Fonte: AMD No gráfico abaixo temos u eação do regulador gerenciamento de energia para outros componentes do sistema. 2. 6. 1 ACPI (Advanced Configuration & Power Interface) ACPI é o conjunto de funções para gerenciamento de energia e de interfaces para o S. O. Sua adoção se iniciou em 1997 e a versão mais atual é a 4. 0. No Linux, o suporte para ACPI está disponivel para as versões 2. 4 e 2. 6 do kernel mas, dependendo do hardware envolvido, algumas funcionalidades podem não estar disponíveis.

No caso dos processadores Athlon, existem 4 estados possíveis para o processador: CO: Estado ativo, processador está executando instruções. Cl : Estado halt, processador executou uma instrução halt e pode voltar ao estado CO caso receba um sinal externo. C2: estado que pode ser ativado por software ou hardware. Memória cache permanece ativada. C3: estado semelhante ao C2, mas agora a memória cache não está disponvel. Infelizmente, no caso dos processadores Athlon só é possível diminuir drasticamente o consumo de energia se o processador estiver desconectado do barramento, algo que precisa ser configurado na ponte norte (north bridge). Tal configuração é específica do para cada tipo de chipset. 17 — Trabalho de 0 DF 21 rusonado 2009