▷ O que é um processador e como ele funciona

Hoje vamos ver algum hardware. Nossa equipe é composta por um grande número de componentes eletrônicos que, juntos, são capazes de armazenar e processar dados. O processador, CPU ou unidade central de processamento é o seu principal componente. Vamos falar sobre o que é um processador, quais são seus componentes e como ele funciona em detalhes.

Pronto? Vamos começar!

Índice de conteúdo

O que é um processador?

A primeira coisa que teremos que definir é o que é um microprocessador para saber tudo o mais. O microprocessador é o cérebro de um computador ou computador, é constituído por um circuito integrado encapsulado em um chip de silício composto por milhões de transistores. Sua função é processar os dados, controlar a operação de todos os dispositivos do computador, pelo menos uma grande parte deles e o mais importante: é responsável por realizar as operações lógicas e matemáticas.

Se percebermos, todos os dados que circulam por nossa máquina são impulsos elétricos, compostos de sinais de uns e zeros chamados bits. Cada um desses sinais é agrupado em um conjunto de bits que compõem instruções e programas. O microprocessador é responsável por entender tudo isso executando operações básicas: SUM, SUBTRACT E AND OU MUL, DIV, OPOSITE E INVERSO. Então temos o microprocessador:

• Decodifica e executa as instruções dos programas carregados na memória principal do computador. Coordena e controla todos os componentes que compõem o computador e os periféricos conectados a ele, mouse, teclado, impressora, tela etc.

Atualmente, os processadores geralmente têm formato quadrado ou retangular e estão localizados em um elemento chamado soquete conectado à placa-mãe. Isso será responsável por distribuir os dados entre o processador e o restante dos elementos conectados a ele.

Arquitetura de um computador

Nas seções a seguir, veremos toda a arquitetura de um processador.

Arquitetura Von Neumann

Desde a invenção dos microprocessadores até hoje, eles são baseados em uma arquitetura que divide o processador em vários elementos que veremos mais adiante. Isso é chamado de arquitetura Von Neumann. É uma arquitetura inventada em 1945 pelo matemático Von Neumann que descreve o design de um computador digital dividido em uma série de partes ou elementos.

Os processadores atuais ainda são amplamente baseados nessa arquitetura básica, embora logicamente um grande número de novos elementos tenha sido introduzido até termos os elementos extremamente completos que temos hoje. Possibilidade de vários números no mesmo chip, elementos de memória em vários níveis, processador gráfico embutido, etc.

Partes internas de um computador

As partes básicas de um computador de acordo com essa arquitetura são as seguintes:

• Memória: é o elemento no qual as instruções que o computador executa e os dados nos quais as instruções operam são armazenados. Essas instruções são chamadas de programa. Unidade Central de Processamento ou CPU: é o elemento que definimos anteriormente. É responsável pelo processamento das instruções que chegam da memória Unidade de entrada e saída: permite a comunicação com elementos externos. Barramentos de dados: são os trilhos, trilhos ou cabos que conectam fisicamente os elementos anteriores.

Elementos de um microprocessador

Tendo definido as principais partes de um computador e entendido como a informação circula através dele.

• Unidade de controle (UC): é o elemento responsável por dar ordens através de sinais de controle, por exemplo, o relógio. Ele procura instruções na memória principal e as passa para o decodificador de instruções para executar. Peças internas:
  1. Relógio: Gera uma onda quadrada para sincronizar as operações do processador Contador de programas: Contém o endereço de memória da próxima instrução a ser executada. Registro de Instrução: Contém a instrução que está executando no momento Sequenciador: Gera comandos elementares para processamento de instrução. Decodificador de instrução (DI): é responsável por interpretar e executar as instruções que chegam, extraindo o código de operação da instrução.

• Unidade aritmética lógica (ALU): é responsável por fazer os cálculos aritméticos (SOMA, SUBTRACÇÃO, MULTIPLICAÇÃO, DIVISÃO) e operações lógicas (AND, OR,…). Peças internas.
  1. Circuito operacional: eles contêm os multiplexadores e circuitos para realizar operações. Registros de entrada: os dados são armazenados e operados antes de entrar no circuito operacional Acumulador: armazena os resultados das operações realizadas Registro de status (Flag): armazena determinadas condições que devem ser levadas em consideração nas operações subseqüentes.

• Unidade de ponto flutuante (FPU): esse elemento não estava no projeto original da arquitetura, foi introduzido posteriormente quando as instruções e cálculos se tornaram mais complexos com a aparência dos programas representados graficamente. Esta unidade é responsável por executar operações de ponto flutuante, ou seja, números reais. Banco de registros e cache: os processadores de hoje têm memória volátil que liga a RAM à CPU. Isso é muito mais rápido que a RAM e é responsável por acelerar o acesso do microprocessador à memória principal.

• Barramento frontal (FSB): também conhecido como barramento de dados, barramento principal ou barramento do sistema. É o caminho ou canal que comunica o microprocessador com a placa-mãe, especificamente com o chip chamado ponte norte ou ponte não. Ele é responsável por controlar a operação dos principais barramentos de CPU, RAM e portas de expansão, como PCI-Express. Os termos usados ​​para definir esse barramento são "Quick Path Interconnect" para Intel e "Hypertransport" para AMD.

Fonte: sleeperfurniture.co

Fonte: ixbtlabs.com

• Barramento do verso (BSB): este barramento comunica a memória cache de nível 2 (L2) com o processador, desde que não esteja integrado no próprio núcleo da CPU. Atualmente, todos os microprocessadores possuem memória cache embutida no próprio chip, portanto esse barramento também faz parte do mesmo chip.

Microprocessador de dois ou mais núcleos

No mesmo processador, não apenas teremos esses elementos distribuídos no interior, mas agora eles serão replicados. Teremos vários núcleos de processamento ou o que são os mesmos microprocessadores dentro da unidade. Cada um deles terá seu próprio cache L1 e L2, normalmente o L3 é compartilhado entre eles, em pares ou juntos.

Além disso, teremos uma ALU, UC, DI e FPU para cada um dos núcleos; portanto, a velocidade e a capacidade de processamento se multiplicam dependendo do número de núcleos que ela possui. Novos elementos também aparecem dentro dos microprocessadores:

• Controlador de memória integrado (IMC): agora, com a aparência de vários núcleos, o processador possui um sistema que permite acessar diretamente a memória principal. GPU integrada (iGP) - A GPU lida com o processamento gráfico. Estas são principalmente operações de ponto flutuante com cadeias de bits de alta densidade, portanto o processamento é muito mais complexo que os dados normais do programa. Devido a isso, existem faixas de microprocessadores que implementam dentro deles uma unidade dedicada exclusivamente ao processamento gráfico.

Alguns processadores, como o AMD Ryzen, não possuem uma placa gráfica interna. Apenas suas APUs?

Operação com microprocessador

Um processador funciona por instruções, cada uma dessas instruções é um código binário de uma certa extensão que a CPU é capaz de entender.

Um programa, portanto, é um conjunto de instruções e, para executá-lo, deve ser executado sequencialmente, ou seja, executando uma dessas instruções a cada etapa ou período de tempo. Para executar uma instrução, existem várias fases:

• Pesquisa de instruções: levamos as instruções da memória para o processador Decodificação de instruções: a instrução é dividida em códigos mais simples, compreensíveis pela CPU Pesquisa operada: com a instrução carregada na CPU, você deve encontrar o operador correspondente. instrução: execute a operação lógica ou aritmética necessária Salvando o resultado: o resultado é armazenado em cache

Cada processador trabalha com um determinado conjunto de instruções, que evoluíram junto com os processadores. O nome x86 ou x386 refere-se ao conjunto de instruções com as quais um processador trabalha.

Tradicionalmente, os processadores de 32 bits também são chamados de x86, porque nessa arquitetura eles trabalharam com este conjunto de instruções do processador Intel 80386, que foi o primeiro a implementar uma arquitetura de 32 bits.

Esse conjunto de instruções precisa ser atualizado para funcionar com mais eficiência e com programas mais complexos. Às vezes, vemos que nos requisitos para a execução de um programa, há um conjunto de acrônimos como SSE, MMX etc. Este é o conjunto de instruções com as quais um microprocessador pode lidar. Então nós temos:

• SSE (Streaming SIMD Extensions): Eles capacitaram as CPUs a trabalhar com operações de ponto flutuante. SSE2, SSE3, SSE4, SSE5, etc: atualizações diferentes para este conjunto de instruções.

Incompatibilidade do processador

Todos nos lembramos quando um sistema operacional Apple pode ser executado em um PC com Windows ou Linux. Isso ocorre devido ao tipo de instruções dos diferentes processadores. A Apple usou processadores PowerPC, que funcionavam com instruções diferentes da Intel e AMD. Assim, existem vários modelos de instruções:

• CISC (Computador de conjunto de instruções complexo): é o usado pela Intel e AMD, trata-se de usar um conjunto de poucas instruções, mas complexo. Eles têm maior consumo de recursos, sendo instruções mais completas que requerem vários ciclos de clock. RISC (Reduced Instruction Set Computer): é o usado pela Apple, Motorola, IBM e PowerPC, são processadores mais eficientes, com mais instruções, mas com menos complexidade.

Atualmente, ambos os sistemas operacionais são compatíveis porque Intel e AMD implementam uma combinação de arquiteturas em seus processadores.

Processo de execução das instruções

1. O processador reinicia ao receber um sinal RESET, assim o sistema se prepara recebendo um sinal de relógio que determinará a velocidade do processo.No registro CP (contador de programa), o endereço de memória no qual o A unidade de controle (UC) emite o comando para buscar as instruções que a RAM armazenou no endereço de memória que está no CP.Em seguida, a RAM envia os dados e é colocada no barramento de dados até armazenado no RI (Instruction Register).O UC gerencia o processo e a instrução passa para o decodificador (D) para encontrar o significado da instrução. Isso passa pelo UC a ser executado. Uma vez que a instrução é conhecida e qual operação deve ser executada, ambas são carregadas nos registros de entrada da ALU (REN). A ALU executa a operação e coloca o resultado no barramento de dados e o CP é adicionado 1 para executar a seguinte instrução.

Como saber se um processador é bom

Para saber se um microprocessador é bom ou ruim, devemos examinar cada um de seus componentes internos:

Largura do barramento

A largura de um barramento determina o tamanho dos registros que podem circular por ele. Essa largura deve corresponder ao tamanho dos registros do processador. Dessa forma, temos que a largura do barramento representa o maior registro que ele é capaz de transportar em uma única operação.

Diretamente relacionada ao barramento também haverá memória RAM, ele deve poder armazenar cada um desses registros com a largura que eles têm (isso é chamado de largura da palavra na memória).

O que temos atualmente quando a largura do barramento é de 32 bits ou 64 bits, ou seja, podemos transportar, armazenar e processar simultaneamente cadeias de 32 ou 64 bits. Com 32 bits cada um com a possibilidade de ser 0 ou 1, podemos endereçar uma quantidade de memória de 2 ³² (4 GB) e com 64 bits 16 EB Exabytes. Isso não significa que temos 16 Exabytes de memória em nosso computador, mas representa a capacidade de gerenciar e usar uma certa quantidade de memória. Daí a famosa limitação dos sistemas de 32 bits para endereçar apenas 4 GB de memória.

Em resumo, quanto maior o ônibus, maior a capacidade de trabalho.

Memória cache

Essas memórias são muito menores que a RAM, mas muito mais rápidas. Sua função é armazenar as instruções que serão processadas ou as últimas processadas. Quanto mais memória cache, maior a velocidade de transação que a CPU pode captar e largar.

Aqui, devemos estar cientes de que tudo o que chega ao processador vem do disco rígido, e isso pode ser considerado muito mais lento que a RAM e ainda mais que a memória cache. É por esse motivo que essas memórias de estado sólido foram projetadas para resolver o grande gargalo que é o disco rígido.

E nos perguntaremos: por que eles não fabricam apenas caches grandes, a resposta é simples, porque são muito caros.

Velocidade interna do processador

A velocidade da Internet é quase sempre a coisa mais impressionante quando se olha para um processador. "O processador roda a 3, 2 GHz", mas o que é isso? Velocidade é a frequência do relógio na qual o microprocessador trabalha. Quanto maior essa velocidade, mais operações por unidade de tempo será capaz de executar. Isso se traduz em um desempenho mais alto, é por isso que existe uma memória cache, para acelerar a coleta de dados pelo processador para sempre executar o número máximo de operações por unidade de tempo.

Esta frequência de relógio é dada por um sinal de onda quadrada periódica. O tempo máximo para realizar uma operação é de um período. O período é o inverso da frequência.

Mas nem tudo é velocidade. Existem muitos componentes que influenciam a velocidade de um processador. Se, por exemplo, tivermos um processador de 4 núcleos a 1, 8 GHz e outro de núcleo único a 4, 0 GHz, é certo que o quad-core é mais rápido.

Velocidade do barramento

Assim como a velocidade do processador é importante, a velocidade do barramento de dados também é importante. A placa-mãe sempre funciona com uma freqüência de clock muito menor que o microprocessador, por esse motivo, precisamos de um multiplicador que ajuste essas frequências.

Se, por exemplo, tivermos uma placa-mãe com um barramento com uma frequência de clock de 200 MHz, um multiplicador de 10x atingirá uma frequência de CPU de 2 GHz.

Microarquitetura

A microarquitetura de um processador determina o número de transistores por unidade de distância nele. Atualmente, esta unidade é medida em nm (nanômetros), quanto menor, maior o número de transistores que podem ser introduzidos e, portanto, maior número de elementos e circuitos integrados.

Isso influencia diretamente o consumo de energia; dispositivos menores precisarão de menos fluxo de elétrons; portanto, menos energia será necessária para desempenhar as mesmas funções que em uma microarquitetura maior.

Fonte: intel.es

Refrigeração de componentes

Devido à enorme velocidade alcançada pela CPU, o fluxo atual gera calor. Quanto maior a frequência e a tensão, maior será a geração de calor; portanto, é necessário resfriar esse componente. Existem várias maneiras de fazer isso:

• Resfriamento passivo: por meio de dissipadores metálicos (cobre ou alumínio) que aumentam a superfície de contato com o ar por meio de aletas. Resfriamento ativo: Além do dissipador de calor, também é colocado um ventilador para fornecer fluxo de ar forçado entre as aletas do elemento passivo.

• Refrigeração por líquido: consiste em um circuito composto por uma bomba e um radiador com aletas. A água circula através de um bloco localizado na CPU, o elemento líquido coleta o calor gerado e o transporta para o radiador, que por meio de ventilação forçada dissipa o calor, diminuindo novamente a temperatura do líquido.

Alguns processadores incluem um dissipador de calor. Normalmente eles não são um grande problema… mas servem para colocar o PC em funcionamento e melhorá-lo ao mesmo tempo

• Arrefecimento por Heatpipes: o sistema consiste em um circuito fechado de tubos de cobre ou alumínio cheios de fluido. Esse fluido coleta calor da CPU e evapora subindo para a parte superior do sistema. Nesse ponto, há um dissipador de calor com aletas que troca o calor do fluido de dentro para o ar externo, dessa maneira o fluido condensa e cai de volta para o bloco da CPU.

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Isso conclui nosso artigo sobre o que é um processador e como ele funciona em detalhes. Esperamos que você tenha gostado.