Microprocessador

 

O que é o Processador?

Arquitectura interna de um microprocessador dedicado para processamento de imagens de ressonância magnética, a fotografia foi aumentada 600 vezes, sob luz ultravioleta para se poderem ver os detalhes

Vista inferior de um Athlon XP 1800 com núcleo Palomino, um microprocessador moderno

    O microprocessador moderno é formado por uma camada chamada de mesa epitaxial de silício, trabalhada de modo a formar um cristal de extrema pureza, laminada até uma espessura mínima com grande precisão, depois cuidadosamente mascarada por um processo fotográfico e dopada pela exposição a altas temperaturas em fornos que contêm misturas gasosas de impurezas. Este processo é repetido tantas vezes quanto necessário à formação da microarquitetura do componente.

    Responsável pela execução das instruções num sistema, o microprocessador, determina, em certa medida a capacidade de processamento do computador e também o conjunto primário de instruções que ele compreende. O sistema operativo é construído sobre este conjunto.

    O próprio microprocessador subdivide-se em várias unidades, trabalhando em altas frequências.

    Embora seja a essência do computador, o microprocessador, está longe de ser um computador completo. Para que possa interagir com o utilizador precisa de: memória, dispositivos de entrada/saída, um clock, controladores e conversores de sinais, entre outros. Cada um desses circuitos de apoio interage de modo peculiar com os programas e, dessa forma, ajuda a moldar o funcionamento do computador.


 

História do Processador

Intel 4004, o primeiro Processador

    O primeiro microprocessador comercial foi inventado pela Intel em 1971 para atender uma empresa japonesa que precisava de um circuito integrado especial. A Intel projectou o 4004 que era um circuito integrado programável que trabalhava com registadores de 4 bits, 46 instruções, clock de 740Khz e possuía cerca de 2300 transístores.

    Percebendo a utilidade desse invento a Intel prosseguiu com o desenvolvimento de novos microprocessadores: 8008 (o primeiro de 8 bits) e a seguir o 8080 e o microprocessador 8085. O 8080 foi um grande sucesso e tornou-se a base para os primeiros microcomputadores pessoais na década de 1970 graças ao sistema operativo CP/M. Da Intel saíram alguns funcionários que fundaram a Zilog, que viria a lançar o microprocessador Z80, com instruções compatíveis com o 8080 (embora muito mais poderoso que este) e também de grande sucesso. A Motorola possuía o 68000. Todos esses microprocessadores de 8 bits foram usados em muitos computadores pessoais (Bob Sinclair, Apple, TRS, etc).

Intel 8008, um dos primeiros microprocessadores comerciais

 

    Em 1981 a IBM decidiu lançar-se no mercado de computadores pessoais e no seu IBM-PC utilizou um dos primeiros microprocessadores de 16 bits, o 8088. A Apple nos seus computadores Macintosh utilizava os processadores da Motorola, a família 68000 (de 32 bits). Outros fabricantes também tinham os seus microprocessadores de 16 bits, a Zilog tinha o Z8000, a Texas Instruments o TMS9900, mas nenhum fabricante teve tanto sucesso como a Intel, que sucessivamente foi lançando melhoramentos na sua linha 80X86.

    Como grande concorrente da Intel, a AMD aparece inicialmente como fabricante de microprocessadores da linha x86 alternativa mas a partir de um certo momento deixou de correr atrás da Intel e partiu para o desenvolvimento de sua própria linha de microprocessadores: K6, Athlon, Duron, Turion, Sempron. Paralelamente à disputa entre Intel e AMD, a IBM possuía a linha PowerPC utilizada principalmente pelos microcomputadores da Apple.

    A evolução tecnológica envolvida é surpreendentemente grande, de microprocessadores que trabalhavam com clock de dezenas de kHz e que podiam processar alguns milhares de instruções por segundo, atingiu-se clocks na casa dos 7 GHz e o poder de processamento de dezenas de biliões de instruções por segundo. A complexidade também cresceu: de alguns milhares de transístores para centenas de milhões de transístores numa mesma pastilha.

    O CPU tem como função principal unificar todo o sistema, controlar as funções realizadas por cada unidade funcional, e é também responsável pela execução de todos os programas do sistema, que deverão estar armazenados na memória principal.

Como são constituídos os Processadores?

 

    O processador é composto por alguns componentes, cada um tendo uma função específica no processamento dos programas.

Unidade Lógica e Aritmética

    A Unidade Lógica e Aritmética (ULA) é a responsável por executar efectivamente as instruções dos programas, como instruções lógicas, matemáticas, desvio, etc.

Unidade de Controlo

    A Unidade de Controlo (UC) é responsável pela tarefa de controlo das acções a serem realizadas pelo computador, comandando todos os outros componentes.

Registadores

    Os registadores são pequenas memórias velozes que armazenam comandos ou valores que são utilizados no controlo e processamento de cada instrução. Os registadores mais importantes são:

  • Contador de Programa (PC) – Sinaliza para a próxima instrução a ser executada;
  • Registador de Instrução (IR) – Regista a execução da instrução;

 

Memory Management Unit

    A MMU (em inglês: Memory Management Unit) é um dispositivo de hardware que transforma endereços virtuais em endereços físicos e administra a memória principal do computador.

 

Arquitectura

    Existem duas principais arquitecturas usadas em processadores:

  • A arquitectura de Von Newmann. Esta arquitectura caracteriza-se por apresentar um barramento externo compartilhado entre dados e endereços. Embora apresente baixo custo, esta arquitectura apresenta desempenho limitado pelo gargalo do barramento.

 

  • A arquitectura de Harvard. Nesta arquitectura existem dois barramentos externos independentes (e normalmente também memórias independentes) para dados e endereços. Isto reduz de forma sensível o gargalo de barramento, que é uma das principais barreiras de desempenho, em detrimento do encarecimento do sistema como um todo.

 

Modelos de computação

Existem dois modelos de computação usados em processadores:

  • CISC (em inglês: Complex Instruction Set Computing, Computador com um Conjunto Complexo de Instruções), usada em processadores Intel e AMD; possui um grande conjunto de instruções (tipicamente centenas) que são armazenadas numa pequena memória não-volátil interna ao processador. Cada posição desta memória contém as microinstruções, ou seja, os passos a serem realizados para a execução de cada instrução. Quanto mais complexa a instrução, mais microinstruções ela possuirá e mais tempo levará para ser executada. Ao conjunto de todas as microinstruções contidas no processador denominamos microcódigo.

 

  • RISC (em inglês: Reduced Instruction Set Computing, Computador com um Conjunto Reduzido de Instruções) usada em processadores PowerPC (da Apple, Motorola e IBM); possui um conjunto pequeno de instruções (tipicamente algumas dezenas) implementadas directamente no hardware. Nesta técnica não é necessário realizar a leitura na memória e, por isso, a execução das instruções é muito rápida. Por outro lado, as instruções são muito simples e para a realização de certas tarefas são necessárias mais instruções que no modelo CISC.
 

Exemplos de Microprocessadores

  • Microprocessadores — São utilizados nos computadores pessoais, onde são chamados de Unidade Central de Processamento (CPU), workstations e mainframes. Podem ser programados para executar as mais variadas tarefas.

  • Processadores Digitais de Sinal (DSP do inglês Digital Signal Processor) — são microprocessadores especializados em processamento digital de sinal usados para processar sinais de áudio, vídeo, etc., quer em tempo real quer em off-line. Estão presentes, por exemplo, em aparelhos de CD, DVD e televisores digitais. Em geral, realizam sempre uma mesma tarefa simples.

  • Microcontroladores — Processadores relativamente flexíveis, de relativo baixo custo, que podem ser utilizados em projectos de pequeno tamanho. Podem trazer facilidades como conversores A/D embutidos, ou um conjunto de instruções próprias para comunicação digital através de algum protocolo específico.

 

  • GPU — (ou Unidade de Processamento Gráfico), é um microprocessador especializado em processar gráficos. São utilizadas em placas de vídeo para fazer computação gráfica.