▷ Partes de um processador dentro e fora: conceitos básicos?

Certamente todos sabemos aproximadamente o que é uma CPU, mas sabemos realmente quais são as partes de um processador ? Todos e cada um dos principais, necessários para que esse pequeno quadrado de silício seja capaz de processar grandes quantidades de informações, podendo levar a humanidade a uma era em que, sem sistemas eletrônicos, seria um completo desastre.

Os processadores já fazem parte do nosso dia a dia, principalmente de pessoas que nasceram nos últimos 20 anos. Muitos cresceram completamente misturados com a tecnologia, sem mencionar os pequenos que trazem um smartphone debaixo dos braços em vez de um pão… Em todos esses dispositivos, existe um elemento comum chamado processador, responsável por dar "inteligência" a as máquinas ao nosso redor. Se esse elemento não existisse, computadores, celulares, robôs e linhas de montagem também não teriam, em suma, todo mundo teria trabalho… mas seria impossível chegar aonde os criamos, ainda não existe um mundo como "Matrix", mas tudo vai dar certo.

Índice de conteúdo

O que é um processador e por que é tão importante

Antes de tudo, devemos estar cientes de que não apenas um computador possui um processador. Todos os dispositivos eletrônicos possuem todos um elemento que funciona como processador, seja um relógio digital, um autômato programável ou um smartphone.

Mas, é claro, também devemos estar cientes de que, dependendo de suas capacidades e do que são fabricados, os processadores podem ser mais ou menos complexos, desde a simples execução de uma sucessão de códigos binários para iluminar um painel de LED até a manipulação de grandes quantidades de informações, incluindo o aprendizado com elas (aprendizado de máquina e inteligência artificial).

A CPU ou Unidade Central de Processamento em espanhol é um circuito eletrônico capaz de executar as tarefas e instruções contidas em um programa. Essas instruções são bastante simplificadas e se resumem a cálculos aritméticos básicos (adição, subtração, multiplicação e divisão), operações lógicas (AND, OR, NOT, NOR, NAND) e controle de entrada / saída (E / S). dos dispositivos.

Então o processador é o elemento encarregado de realizar todas as operações que formam as instruções de um programa. Se nos colocamos no ponto de vista da máquina, essas operações são reduzidas a cadeias simples de zeros e uns, chamados bits, e que representam os estados atuais / não correntes, formando estruturas lógicas binárias das quais até o ser humano é capaz. entender e programar em código de máquina, assembler ou através de uma linguagem de programação de nível superior.

Os transistores, os culpados de tudo

Os processadores não existiriam, pelo menos tão pequenos, se não fossem os transistores. Eles são a unidade básica, por assim dizer, de qualquer processador e circuito integrado. É um dispositivo semicondutor que fecha ou abre um circuito elétrico ou amplifica um sinal. Dessa maneira, é como podemos criar uns e zeros, a linguagem binária que a CPU entende.

Esses transistores começaram como válvulas de vácuo, enormes dispositivos semelhantes a lâmpadas capazes de realizar as comutações do próprio transistor, mas com elementos mecânicos no vácuo. Computadores como o ENIAC ou EDVAC tinham válvulas de vácuo dentro deles, em vez de transistores, e eram imensamente grandes e praticamente consumiam a energia de uma cidade pequena. Essas máquinas foram as primeiras com a arquitetura Von Neumann.

Mas nas décadas de 1950 a 1960, os primeiros processadores de transistor começaram a ser criados - na verdade, era a IBM em 1958, quando criou sua primeira máquina baseada em transistor semicondutor com o IBM 7090. Desde então, a evolução foi espetacular, fabricantes como Intel e, posteriormente, AMD começaram a criar os primeiros processadores para computadores desktop, implementando a revolucionária arquitetura x86, graças à CPU Intel 8086. De fato, ainda hoje, nossos processadores para desktops são baseados nessa arquitetura; mais tarde veremos as partes do processador x86.

Depois disso, a arquitetura começou a se tornar cada vez mais complexa, com chips menores e também com a primeira introdução de mais núcleos no interior, e depois com núcleos especialmente dedicados ao processamento gráfico. Até bancos de memória ultrarrápidos chamados memória cache e o barramento de conexão com a memória principal, RAM, foram introduzidos dentro desses pequenos chips.

As partes externas de um processador

Após essa breve revisão do histórico dos processadores até o momento, veremos quais elementos externos um processador atual possui. Estamos falando de elementos físicos que podem ser tocados e que estão em vista do usuário. Isso nos ajudará a entender melhor as necessidades físicas e de conectividade de um processador.

Soquete

O soquete ou soquete da CPU é um sistema eletromecânico instalado de maneira fixa em uma placa-mãe responsável pela interconexão do processador com os outros elementos da placa e do computador. Existem vários tipos básicos de soquete no mercado e também com muitas configurações diferentes. Existem três elementos em seu nome ou denominação que nos farão entender de qual deles estamos falando:

O fabricante pode ser Intel ou AMD no caso de computadores pessoais, isso é algo simples de entender. Quanto ao tipo de conexão, temos três tipos diferentes:

• LGA: (matriz de contatos da grade), significa que os pinos de contato são instalados no próprio soquete, enquanto a CPU possui apenas uma matriz de contatos plana. PGA: (matriz de pinos), é exatamente o oposto do anterior, é o processador que possui os pinos e o soquete os orifícios para inseri-los. BGA: (matriz de grade de esferas), neste caso, o processador é diretamente soldado à placa-mãe.

Quanto ao último número, identifica o tipo de distribuição ou o número de pinos de conexão que a CPU possui com o soquete. Há uma quantidade enorme deles na Intel e na AMD.

Substrato

O substrato é basicamente o PCB onde está instalado o chip de silício que contém o circuito eletrônico dos núcleos, chamado DIE. Os processadores de hoje podem ter mais de um desses elementos instalados separadamente.

Mas também esta pequena placa de circuito impresso contém toda a matriz de pinos de conexão com o soquete da placa-mãe, quase sempre banhada a ouro para melhorar a transferência de eletricidade e com proteção contra sobrecargas e surtos de corrente na forma de capacitores.

MORRER

O DIE é precisamente o quadrado ou chip que contém todo o circuito integrado e os componentes internos de um processador. Visualmente, é visto como um pequeno elemento preto que se projeta do substrato e faz contato com o elemento de dissipação de calor.

Como todo o sistema de processamento está dentro dele, o DIE atinge temperaturas incrivelmente altas, portanto deve ser protegido por outros elementos.

IHS

Também chamado DTS ou Difusor térmico integrado, e sua função é capturar toda a temperatura dos núcleos do processador e transferi-la para o dissipador de calor que esse elemento instalou. É feito de cobre ou alumínio.

Este elemento é uma chapa ou encapsulamento que protege o DIE do lado de fora e pode estar em contato direto com ele por meio de pasta térmica ou diretamente soldado. Em equipamentos de jogos personalizados, os usuários removem esse IHS para colocar os dissipadores de calor diretamente em contato com o DIE usando pasta térmica em um composto de metal líquido. Esse processo é chamado Delidding e seu objetivo é melhorar substancialmente a temperatura do processador.

Dissipador de calor

O elemento final responsável por capturar o máximo de calor possível e transferi-lo para a atmosfera. São blocos pequenos ou grandes de alumínio e base de cobre, fornecidos com ventiladores que ajudam a resfriar toda a superfície por meio de uma corrente de ar forçada através das aletas.

Todo processador de PC precisa de um dissipador de calor para funcionar e manter suas temperaturas sob controle.

Bem, essas são as partes de um processador externamente, agora vamos ver a parte mais técnica, seus componentes internos.

Arquitetura Von Neumann

Os computadores de hoje são baseados na arquitetura de Von Neumann, que era o matemático encarregado de dar vida aos primeiros computadores da história em 1945, você sabe, o ENIAC e seus outros grandes amigos. Essa arquitetura é basicamente a maneira pela qual os elementos ou componentes de um computador são distribuídos para que sua operação seja possível. Consiste em quatro partes básicas:

• Memória de programa e dados: é o elemento em que as instruções a serem executadas no processador são armazenadas. Consiste em unidades de armazenamento ou discos rígidos, RAM de acesso aleatório e programas que contêm as próprias instruções. Unidade central de processamento ou CPU: este é o processador, a unidade que controla e processa todas as informações provenientes da memória principal e dos dispositivos de entrada. Unidade de entrada e saída: permite a comunicação com periféricos e componentes conectados à unidade central. Fisicamente, podemos identificá-los como os slots e portas da nossa placa-mãe. Barramentos de dados: são os trilhos, trilhos ou cabos que conectam fisicamente os elementos.Em uma CPU, eles são divididos em barramento de controle, barramento de dados e barramento de endereços.

Processadores multinúcleo

Antes de começarmos a listar os componentes internos de um processador, é muito importante saber quais são os núcleos de um processador e sua função nele.

O núcleo de um processador é o circuito integrado responsável por executar os cálculos necessários com as informações que passam por ele. Cada processador opera em uma determinada frequência, medida em MHz, o que indica o número de operações que é capaz de executar. Bem, os processadores atuais não apenas têm um núcleo, mas vários deles, todos com os mesmos componentes internos e capazes de executar e resolver instruções simultaneamente em cada ciclo de clock.

Portanto, se um processador principal puder executar uma instrução em cada ciclo, se tiver 6, poderá executar 6 dessas instruções no mesmo ciclo. Esta é uma dramática atualização de desempenho e é precisamente o que os processadores de hoje fazem. Mas não apenas temos núcleos, mas também processamos threads, que são como uma espécie de núcleos lógicos pelos quais circulam os threads de um programa.

Visite nosso artigo em: quais são os tópicos de um processador? Diferenças com os núcleos para saber mais sobre o assunto.

Partes internas de um processador (x86)

Existem muitas arquiteturas e configurações de microprocessadores diferentes, mas a que nos interessa é a que está dentro de nossos computadores, e é sem dúvida a que recebe o nome de x86. Poderíamos vê-lo diretamente fisicamente ou esquematicamente para torná-lo um pouco mais claro, saber que tudo isso está dentro do DIE.

Devemos ter em mente que a unidade de controle, a unidade aritmética-lógica, os registros e a FPU estarão presentes em cada um dos núcleos do processador.

Vamos primeiro olhar para os principais componentes internos:

Unidade de controle

Em inglês, chamado Conrol Unit ou CU, é responsável por direcionar a operação do processador. Ele faz isso emitindo comandos na forma de sinais de controle para a RAM, a unidade aritmética-lógica e os dispositivos de entrada e saída para que eles saibam como gerenciar as informações e instruções enviadas ao processador. Por exemplo, eles coletam dados, executam cálculos e armazenam resultados.

Esta unidade garante que o restante dos componentes funcione em sincronização usando sinais de relógio e tempo. Praticamente todos os processadores possuem essa unidade, mas digamos que ela esteja fora do que é o núcleo do próprio processamento. Por sua vez, podemos distinguir dentro dele as seguintes partes:

• Relógio (CLK): é responsável por gerar um sinal quadrado que sincroniza os componentes internos. Existem outros relógios encarregados dessa sincronia entre os elementos, por exemplo, o multiplicador, que veremos mais adiante. Contador de programa (CP): contém o endereço de memória da próxima instrução a ser executada. Registro de Instrução (RI): salva a instrução que está sendo executada Sequenciador e Decodificador: interpreta e executa as instruções através de comandos

Unidade Aritmético-Lógica

Você certamente saberá disso pela sigla "ALU". A ULA é responsável por realizar todos os cálculos aritméticos e lógicos com números inteiros no nível de bit; esta unidade trabalha diretamente com as instruções (operandos) e com a operação que a unidade de controle instruiu a realizar (operador).

Os operandos podem vir dos registros internos do processador ou diretamente da memória RAM; podem até ser gerados na própria ALU como resultado de outra operação. A saída disso será o resultado da operação, sendo outra palavra que será armazenada em um registro. Estas são suas partes básicas:

• Registros de entrada (REN): mantêm neles os operandos a serem avaliados. Código da operação: a UC envia o operador para que a operação seja realizada Acumulador ou Resultado: o resultado da operação sai da ULA como uma palavra binária Registro de status (Flag): armazena condições diferentes a serem consideradas durante a operação.

Unidade de ponto flutuante

Você o conhecerá como FPU ou unidade de ponto flutuante. Basicamente, é uma atualização realizada pelos processadores de nova geração, especializada no cálculo de operações de ponto flutuante usando um coprocessador matemático. Existem unidades que podem até realizar cálculos trigonométricos ou exponenciais.

Basicamente, é uma adaptação para aumentar o desempenho dos processadores no processamento gráfico, onde os cálculos são muito mais pesados ​​e mais complexos do que nos programas normais. Em alguns casos, as funções da FPU são executadas pela própria ALU usando um microcódigo de instrução.

Registros

Os processadores de hoje têm seu próprio sistema de armazenamento, por assim dizer, e a unidade menor e mais rápida são os registros. Basicamente, é um pequeno armazém onde são armazenadas as instruções que estão sendo processadas e os resultados obtidos.

Memória cache

O próximo nível de armazenamento é a memória cache, que também é extremamente rápida, muito mais do que a memória RAM responsável por armazenar as instruções que serão usadas iminentemente pelo processador. Ou pelo menos você tentará armazenar as instruções que acha que serão usadas, pois, às vezes, não há outra opção a não ser solicitá-las diretamente da RAM.

O cache dos processadores atuais é integrado ao mesmo DIE do processador e é dividido em um total de três níveis, L1, L2 e L3:

• Cache de nível 1 (L1): é o menor após os logs e o mais rápido dos três. Cada núcleo de processamento possui seu próprio cache L1, que por sua vez é dividido em dois, os Dados L1, responsáveis ​​pelo armazenamento dos dados, e a Instrução L1, que armazena as instruções a serem executadas. É geralmente 32KB cada. Cache de nível 2 (L2) - essa memória é mais lenta que L2, mas também maior. Normalmente, cada núcleo possui seu próprio L2, que pode ter cerca de 256 KB, mas, neste caso, não está diretamente integrado ao circuito do núcleo. Cache de nível 3 (L3): é o mais lento dos três, embora seja muito mais rápido que a RAM. Também está localizado fora dos núcleos e é distribuído entre vários núcleos. Varia entre 8 MB e 16 MB, embora em CPUs muito poderosas atinja até 30 MB.

Barramentos de entrada e saída

O barramento é o canal de comunicação entre os diferentes elementos que compõem um computador. São as linhas físicas através das quais os dados circulam na forma de eletricidade, as instruções e todos os elementos necessários para processar. Esses barramentos podem ser colocados diretamente dentro do processador ou fora dele, na placa-mãe. Existem três tipos de barramentos em um computador:

• Barramento de dados: certamente o mais fácil de entender, porque é o barramento pelo qual circulam os dados enviados e recebidos pelos diferentes componentes, de ou para o processador. Isso significa que é um barramento bidirecional e as palavras com um comprimento de 64 bits circularão, o comprimento que o processador é capaz de manipular. Um exemplo de barramento de dados são LANES ou PCI Express Lines, que comunicam a CPU com os slots PCI, por exemplo, para uma placa gráfica. Barramento de endereços: o barramento de endereços não circula dados, mas endereços de memória para localizar onde estão os dados armazenados na memória. A RAM é como um grande repositório de dados dividido em células, e cada uma dessas células tem seu próprio endereço. Será o processador que solicitará os dados à memória enviando um endereço de memória; esse endereço deve ser tão grande quanto as células possuírem a memória RAM. Atualmente, um processador pode endereçar endereços de memória de até 64 bits, ou seja, podemos lidar com memórias de até 2 ⁶⁴ células. Barramento de controle: o barramento de controle é responsável pelo gerenciamento dos dois barramentos anteriores, usando sinais de controle e cronometragem para fazer uso sincronizado e eficiente de todas as informações que circulam para ou do processador. Seria como a torre de controle de tráfego aéreo de um aeroporto.

BSB, unidade de entrada / saída e multiplicador

É importante saber que os processadores atuais não possuem o FSB ou Front Bus tradicional, que serviu para comunicar a CPU com o restante dos elementos da placa-mãe, por exemplo, chipset e periféricos através da ponte norte e da ponte sul. Isso ocorre porque o próprio barramento foi inserido na CPU como uma unidade de gerenciamento de dados de entrada e saída (E / S) que comunica diretamente a RAM com o processador como se fosse a antiga ponte norte. Tecnologias como o HyperTransport da AMD ou o HyperThreading da Intel são responsáveis ​​por gerenciar a troca de informações em processadores de alto desempenho.

O BSB ou Back Side Bus é o barramento encarregado de conectar o microprocessador com sua própria memória cache, normalmente a de L2. Dessa maneira, o Front Bus pode ser liberado de uma carga considerável e, assim, aproximar ainda mais a velocidade dos caches da velocidade do núcleo.

E, finalmente, temos os multiplicadores, que são uma série de elementos localizados dentro ou fora do processador, responsáveis ​​por medir a relação entre o relógio da CPU e o relógio dos barramentos externos. Neste ponto, sabemos que a CPU está conectada a elementos como RAM, chipset e outros periféricos através de barramentos. Graças a esses multiplicadores, é possível que a frequência da CPU seja muito mais rápida que os barramentos externos, para poder processar mais dados.

Um multiplicador de x10, por exemplo, permitirá que um sistema que funcione a 200 MHz funcione na CPU a 2000 MHz. Nos processadores atuais, podemos encontrar unidades com o multiplicador desbloqueado, o que significa que podemos aumentar sua frequência e, portanto, sua velocidade de processamento. Chamamos isso de overclock.

IGP ou placa gráfica interna

Para finalizar as partes de um processador, não podemos esquecer a unidade gráfica integrada que alguns deles carregam. Antes de vermos o que é uma FPU e, neste caso, estamos enfrentando algo semelhante, mas com muito mais poder, já que basicamente são uma série de núcleos capazes de processar independentemente os gráficos de nossa equipe, que para fins matemáticos são uma enorme quantidade de cálculos de ponto flutuante e renderização de gráficos que exigiriam muito do processador.

O IGP faz a mesma função que uma placa gráfica externa, a que instalamos no slot PCI-Express, apenas em menor escala ou potência. É chamado de processador gráfico integrado porque é um circuito integrado instalado no mesmo processador que alivia a unidade central dessa série de processos complicados. Será útil quando não tivermos uma placa gráfica, mas, por enquanto, ela não possui desempenho comparável a esses.

Tanto a AMD quanto a Intel possuem unidades que integram o IGP na CPU, sendo chamadas de APU (Accelerated Processing Unit). Um exemplo disso é quase todo o Intel Core da família i, junto com o AMD Athlon e alguns Ryzen.

Conclusão sobre as partes de um processador

Bem, chegamos ao final deste longo artigo, onde vemos de uma maneira mais ou menos básica quais são as partes de um processador, tanto do ponto de vista externo quanto interno. A verdade é que é um tópico muito interessante, mas complexo e demorado de explicar, cujos detalhes estão além do entendimento de quase todos nós que não estamos imersos nas linhas de montagem e nos fabricantes desse tipo de dispositivo.

Agora deixamos alguns tutoriais que podem ser interessantes para você.

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