Firmware conceitos básicos.

O Firmware de PC Desktop é um conceito fundamental na computação, atuando como a ponte de comunicação de baixo nível entre o hardware físico do computador e o Sistema Operacional (como Windows, macOS ou Linux).

Imagem do circuito.

Firmware (termo que pode ser traduzido livremente como "software permanente" ou "software fixo") é um tipo de software específico, gravado em uma memória não volátil (que retém as informações mesmo sem energia) de um dispositivo eletrônico. Sua função principal é fornecer as instruções básicas de funcionamento para o hardware, permitindo que ele se inicialize e se comunique de forma coordenada.

No contexto de um PC Desktop, o firmware está embutido em componentes críticos, como a placa-mãe.

O termo firmware foi citado pela primeira vez em 1967 pela revista Datamation por Ascher Opler, para descrever um "microprograma intermediário entre o software e o hardware". Ele foi concebido para se diferenciar do software de alto nível (aplicativos e sistemas operacionais), que eram facilmente alteráveis, pois o firmware original era, em grande parte, gravado de forma permanente (em ROMs - Read-Only Memory).

Tecnologias e Tipos de Firmware em PCs Desktop:

A tecnologia central do firmware de um PC Desktop é a que gerencia o processo de inicialização e a comunicação inicial com o hardware. As duas tecnologias mais importantes são:

A. BIOS (Basic Input/Output System):

• Tecnologia Antiga/Legada: Foi o padrão por décadas. O BIOS reside em um chip de memória na placa-mãe.

• Funcionalidade Principal: Responsável por executar o POST (Power-On Self-Test) para verificar se os componentes essenciais (CPU, RAM, placa de vídeo) estão funcionando. Após o sucesso, ele carrega o bootloader do sistema operacional.

• Armazenamento de Configurações: Utiliza uma memória pequena chamada CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), alimentada por uma bateria (a bateria "do relógio"), para armazenar as configurações personalizadas do usuário (data/hora, ordem de boot, configurações de voltagem, etc.).

B. UEFI (Unified Extensible Firmware Interface):

• Tecnologia Moderna: Substituiu o BIOS na maioria dos PCs fabricados a partir de 2010.

• Vantagens sobre o BIOS:

  • Velocidade: Inicialização do sistema operacional muito mais rápida.

  • Suporte a Discos Grandes: Suporta partições e discos rígidos maiores que 2.2 TB (limitado pelo MBR do BIOS, substituído pelo GPT do UEFI).

  • Interface Gráfica: Permite interfaces mais ricas, muitas vezes com suporte a mouse.

  • Segurança (Secure Boot): Permite que apenas softwares assinados e confiáveis (como o Sistema Operacional) sejam carregados na inicialização, combatendo rootkits e malwares de inicialização.

C. Firmware de Componentes (Firmware de Subsistema):

Além do firmware principal (BIOS/UEFI) da placa-mãe, outros dispositivos dentro ou conectados ao desktop possuem seu próprio firmware:

• Placa de Vídeo (VBIOS/UEFI GOP): Controla a inicialização do processador gráfico e a exibição inicial.

• SSD/HDD: Contém firmware para gerenciar a leitura/escrita de dados, nivelamento de desgaste (wear leveling) e comandos SMART.

• Adaptadores de Rede, Controladores de USB, etc.

Características Principais:

1. Baixo Nível: Opera muito próximo ao hardware, sendo o primeiro software a ser executado quando o PC é ligado.

2. Não Volátil: Geralmente armazenado em memória Flash (ou chips similares), garantindo que as instruções não sejam perdidas ao desligar a máquina.

3. Fabricante Específico: É desenvolvido e instalado pelo fabricante da placa-mãe ou do componente.

4. Difícil Alteração pelo Usuário: Diferente de um aplicativo, o usuário final geralmente não pode simplesmente desinstalá-lo ou substituí-lo. Alterações são feitas via processo de atualização (flashing).

Funcionalidades Detalhadas:

O firmware é o "maestro" inicial do computador. Suas funcionalidades incluem:

Inicialização (Boot): A função mais crítica. O firmware (BIOS/UEFI) inicia o ciclo de vida do computador:

• POST (Power-On Self-Test): Testa a integridade de componentes cruciais (CPU, RAM, vídeo, teclado).

• Detecção de Hardware: Identifica dispositivos conectados.

• Carregamento do Bootloader: Transfere o controle para o carregador de inicialização do Sistema Operacional.

Interface de Configuração (Setup): Fornece a interface (o utilitário do SETUP/CMOS no BIOS ou a interface UEFI) que permite ao usuário configurar parâmetros básicos do sistema, como data/hora, ordem de inicialização, ativação/desativação de portas, configurações de segurança (TPM, Secure Boot) e overclocking (em alguns casos).

Comunicação Básica de E/S (Input/Output): Antes do Sistema Operacional carregar seus próprios drivers, o firmware fornece as rotinas básicas para que o hardware possa ser acessado (ex: ler um comando do teclado, exibir texto na tela).

Gerenciamento de Energia: Controla os estados de energia iniciais do sistema.

Empregos (Aplicações):

Em um PC Desktop, o firmware é empregado em todos os níveis da operação inicial:

Placa-Mãe: A BIOS/UEFI é o emprego mais proeminente, gerenciando o boot e as configurações centrais.

• Armazenamento: Firmware de SSDs e HDDs gerencia a vida útil das células de memória, otimiza a velocidade de acesso e executa comandos de manutenção interna.

• Placa de Vídeo: O firmware garante que a tela receba o sinal correto e os modos de operação iniciais da GPU.

• Periféricos: Mesmo um mouse ou teclado USB avançado pode ter um pequeno firmware para gerenciar perfis de botões ou iluminação RGB.

Importância das Atualizações:

A necessidade de atualizar o firmware (fazer um flash) surge porque, diferente do hardware que é estático, novas descobertas são feitas sobre como otimizá-lo ou protegê-lo:

• Correção de Bugs: Resolver falhas que causam travamentos ou mau funcionamento de componentes.

• Melhoria de Compatibilidade: Permitir que o PC funcione corretamente com novos processadores, novas memórias RAM ou novos padrões de dispositivos.

• Segurança: Implementar patches para vulnerabilidades de segurança descobertas (como Spectre/Meltdown, que exigiram atualizações de firmware de CPU e chipset).

• Adição de Recursos: Habilitar novos recursos de hardware, como suporte a novos padrões de inicialização ou segurança avançada.