Processador
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O processador é um circuito integrado que realiza as funções de cálculo e tomada de decisão de um computador, por isso é considerado o cérebro do mesmo. Ele também pode ser chamado de Unidade Central de Processamento (em inglês CPU: Central Processing Unit).
Nos computadores de mesa (desktop) encontra-se alocado dentro do gabinete juntamente com a placa-mãe e outros elementos de hardware. No passado, os processadores eram constituídos de elementos discretos e ocupavam grandes espaços físicos. Com o advento da microeletrônica, a válvula foi substituída pelo transistor, e este por sua vez, permitiu integração em alta escala, originando os microprocessadores.
Os processadores trabalham apenas com linguagem de máquina (lógica booleana). Realizam as seguintes tarefas:
- Busca e execução de instruções existentes na memória. Os programas e os dados que ficam gravados no disco (disco rígido ou disquetes), são transferidos para a memória. Uma vez estando na memória, o processador pode executar os programas e processar os dados;
- Controle de todos os chips do computador.
Índice |
[editar] Componentes
O processador é composto basicamente de quatro partes:
[editar] Unidade lógica e aritmética
O componente principal, a Unidade lógica e aritmética (ULA) realiza todas as operações lógicas e de cálculo que serão usadas para executar uma tarefa.
[editar] Unidade de Controle
A Unidade de controle (UC) é responsável pela tarefa de controle das ações a serem realizadas pelo computador, comandando todos os outros componentes.
[editar] Registradores
Os registradores são pequenas memórias velozes que armazenam comandos ou valores que são utilizados no controle e processamento de cada instrução. Os registradores mais importantes são:
- Contador de Programa (PC) – Sinaliza para a próxima instrução a ser executada;
- Registrador de Instrução (IR) – Registra a instrução da execução;
Os outros realizam o armazenamento de resultados intermediários.
[editar] 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.
[editar] Frequência de Operação
O relógio do sistema (Clock) é um circuito oscilador a cristal (efeito piezoelétrico) que tem a função de sincronizar e ditar a medida de tempo de transferência de dados no computador. Esta freqüência é medida em ciclos por segundo, ou Hertz. A capacidade de processamento não está relacionada exclusivamente à frequência do relógio, mas também a outros fatores como: largura dos barramentos, quantidade de memória cache, arquitetura do processador, tecnologia de co-processamento, tecnologia de previsão de saltos (branch prediction), tecnologia de pipeline, conjunto de instruções etc.
O aumento da frequência de operação nominal do processador é denominado Overclocking.
[editar] Arquitetura
Existem duas principais arquiteturas usadas em processadores:
- A arquitetura de Von Newmann. Esta arquitetura caracteriza-se por apresentar um barramento externo compartilhado entre dados e endereços. Embora apresente baixo custo, esta arquitetura apresenta desempenho limitado pelo gargalo do barramento.
- A arquitetura de Harvard. Nesta arquitetura 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.
[editar] 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 em uma 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. Esta técnica de computação baseada em microcódigo é denominada microprogramação.
- RISC (em inglês: Reduced Instruction Set Computing, Computador com um Conjunto Reduzido de Instruções) usada em processadores PowerPC (da Apple, Motorola e IBM) e SPARC (SUN); possui um conjunto pequeno de instruções (tipicamente algumas dezenas) implementadas diretamente em hardware. Nesta técnica não é necessário realizar a leitura em uma memória e, por isso, a execução das instruções é muito rápida (normalmente um ciclo de clock por instrução). Por outro lado, as instruções são muito simples e para a realização de certas tarefas são necessárias mais instruções que no modelo CISC.
[editar] Exemplos de processadores
- Microprocessadores — São utilizados nos computadores pessoais, onde são chamadas 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 tarefas simples.
- Microcontroladores — Processadores relativamente flexíveis, de relativo baixo custo, que podem ser utilizados em projetos 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.
[editar] Propósito geral e especializados
Durante o processo de desenvolvimento de design de um processador, uma das características que se leva em conta é o uso que ele se destina. Processadores gráficos e controladoras por exemplo não tem o mesmo fim que um processador central. Processadores de propósito geral podem executar qualquer tipo de software, embora sua execução seja mais lenta que o mesmo sendo executado em um processador especializado. Processadores especializados são fabricados para executarem tarefas específicas, como criptografia, processamento vetorial e grafico, sendo nesse caso bem mais rápidos do que processadores de propósito geral em tarefas equivalentes. Nem sempre os processadores seguem definidamente esses dois modelos, sendo o motivo disso que muitos processadores modernos incorporam processadores especializados, para cálculos de criptografia, processamento de vetores, etc.
[editar] Processadores multi-nucleares
Até os dias de hoje usou-se microprocessadores para atividades domésticas ou de negócios com simples núcleo. Atualmente estão sendo utilizados microprocessadores de múltiplos núcleos para melhorar a capacidade de processamento sem aumentar diretamente o clock, como vinha-se fazendo. Assim, aumentando a capacidade sem aumentar excessivamente o consumo de energia e superaquecer a CPU. Espera-se que no futuro os Sistemas Operacionais domésticos sejam compilados para trabalhar com processadores de múltiplos núcleos corretamente, realizando assim inúmeras tarefas ao mesmo tempo (como já acontece com os supercomputadores).
[editar] Sistemas multi-processados
Em muitos sistemas o uso de um só processador é insuficiente. A solução nesses casos é usar dois ou mais processadores em multi processamento, aumentando assim a quantidade de processadores disponíveis ao sistema operacional. Sistemas multiprocessados podem ser de basicamente dois tipos:
- Multiprocessamento simétrico (SMP): os processadores compartilham a mesma memória, embora possam ter caches separadas. O sistema operacional deve estar preparado para trabalhar com coerência de caches e, principalmente, evitar condições de corrida na memória principal.
- Acesso não uniforme à memória (NUMA): a cada processador é associado um banco de memória. Nesse caso, o sistema operacional trata cada banco separadamente, pois cada banco tem um custo de acesso diferente, dependendo de qual o processador a que está associado e onde está sendo executado o processo que tenta acessar a memória.
