Unidade central de processamento

Nota: Se procura a caixa onde se localizam os componentes do computador, consulte: Gabinete (informática).

A unidade central de processamento ou CPU (Central Processing Unit), também conhecido como processador, é a parte de um sistema computacional, que realiza as instruções de um programa de computador, para executar a aritmética básica, lógica, e a entrada e saída de dados. A CPU tem papel parecido ao cérebro no computador. O termo vem sendo usado desde o início de 1960. A forma, desenho e implementação mudaram drasticamente desde os primeiros exemplos, porém o seu funcionamento fundamental permanece o mesmo.

Conceito

As primeiras CPUs personalizadas foram concebidas como parte de um computador maior. No entanto, este método caro de fazer CPUs personalizadas para uma determinada aplicação rumou para o desenvolvimento de processadores produzidos em massa que são feitas para um ou vários propósitos. Esta tendência de padronização em geral começou na época de discretos minicomputadores e mainframes transistors e acelerou rapidamente com a popularização dos circuitos integrados (CI).

Os CI têm permitido processadores cada vez mais complexos para serem concebidos e fabricados em tamanhos da ordem de nanômetros. Tanto a miniaturização como a padronização dos processadores têm aumentado a presença destes dispositivos digitais na vida moderna, muito além da aplicação limitada dedicada a computadores. Os microprocessadores modernos aparecem em tudo, desde automóveis até celulares e brinquedos para crianças.

Em máquinas grandes, CPUs podem exigir uma ou mais placas de circuito impresso. Em computadores pessoais e estações de trabalho de pequeno porte, a CPU fica em um único chip de silício chamado de microprocessador. Desde 1970 a classe de microprocessadores de CPUs quase completamente ultrapassado todas as implementações de outra CPU. CPUs modernos são circuitos integrados de grande escala em pequenos pacotes retangulares, com vários pinos de conexão.

Um CPU é composta basicamente, pela maioria dos autores, pelos três seguintes componentes :

• Unidade lógica e aritmética (ULA ou ALU): executa operações lógicas e aritméticas;
• Unidade de controle: decodifica instruções, busca operandos, controla o ponto de execução e desvios;
• Registradores: armazenar dados para o processamento.

OBS.: Alguns autores também incluem, na mesma categoria dos Registradores a Memória cache como um dos componentes da CPU.

História

O EDVAC, um dos primeiros computadores.

Computadores como o ENIAC tinham que ser fisicamente religados a fim de realizar diferentes tarefas, por isso estas máquinas são muitas vezes referidas como "computadores de programa fixo". Visto que o termo "CPU" é geralmente definido como um dispositivo para execução de um software (programa de computador), os primeiros dispositivos que poderiam muito bem ser chamados CPUs vieram com o advento do computador com programa armazenado.

A ideia do programa de computador já estava presente no projeto do ENIAC de J. Presper Eckert e John William Mauchly, mas inicialmente foi omitido para que a máquina pudesse ser concluída em menos tempo. Em 30 de junho de 1945, antes do ENIAC ter sido concluído, o matemático John von Neumann distribuiu um documento intitulado "primeiro esboço de um relatório sobre o EDVAC". É descrito o projeto de um programa de computador armazenado que viria a ser concluído em agosto de 1949.. O EDVAC foi projetado para executar um determinado número de instruções (ou operações) de vários tipos. Estas instruções podem ser combinados para criar programas úteis para o EDVAC para ser executado.

Significativamente, os programas escritos para EDVAC foram armazenados em memórias de computador de alta velocidade e não especificados pela ligação física do computador. Isso superou uma grave limitação do ENIAC que era o longo tempo e esforço necessário para reconfigurar o computador para executar uma nova tarefa. Com o design de von Neumann, o programa, ou software, que executava no EDVAC poderia ser mudado simplesmente mudando o conteúdo da memória do computador.

Enquanto von Neumann é mais frequentemente creditado como sendo o desenvolvedor do computador com programa armazenado, devido à sua concepção do EDVAC, outros antes dele, como Konrad Zuse, tinham sugerido e implementado ideias semelhantes. A chamada arquitetura de Harvard do Harvard Mark I, que foi concluída antes do EDVAC, também utilizou um projeto de programa armazenado usando fita de papel perfurado em vez de memória eletrônica. A diferença fundamental entre as arquiteturas de von Neumann e Harvard é que este último separa o armazenamento e o tratamento de instruções da CPU e de dados, enquanto a primeira utiliza o mesmo espaço de memória para ambos. A maioria dos processadores modernos são principalmente von Neumann em design, mas elementos da arquitetura de Harvard são comumente vistas também.

Como um dispositivo digital, uma CPU é limitada a um conjunto de estados discretos, e requer algum tipo de elemento de comutação para diferenciar e mudar estados. Antes do desenvolvimento comercial do transistor, relés elétricos e válvulas eletrônicas eram comumente utilizados como elementos de comutação.

Embora estes tivessem considerável vantagem em termos de velocidade sobre o que se usava antes, desenhos puramente mecânicos, eles não eram confiáveis por diversas razões. Por exemplo, a construção de circuitos de lógica sequencial de corrente contínua fora de relés requer um hardware adicional para lidar com os problemas de contato. Enquanto as válvulas não sofrem rejeição de contato, elas devem aquecer antes de se tornarem plenamente operacionais, e eventualmente deixam de funcionar devido à lenta contaminação dos seus cátodos que ocorre no curso da operação normal. Se uma válvula selada vaza, como por vezes acontece, a contaminação do cátodo é acelerada.

Normalmente, quando um tubo apresenta defeito, a CPU teria que ser examinada para localizar o componente que falhou a fim de que pudesse ser substituído. Portanto, os primeiros computadores eletrônicos (baseados em válvulas) eram geralmente mais rápidos, mas menos confiáveis do que os computadores eletromecânicos (baseados em relés).

Computadores basedos em válvulas como o EDVAC tendiam a trabalhar em média oito horas até apresentarem falhas, enquanto os computadores baseados em relés como o (mais lento, mas anterior) Harvard Mark I apresentava defeitos muito raramente..

No final, CPUs baseadas em válvulas tornaram-se dominantes porque as vantagens de velocidade significativa oferecidas geralmente superavam os problemas de confiabilidade. A maioria destas antigas CPUs funcionava com baixa frequencias de relógio em comparação com os design microeletrônicos modernos. Sinais de frequência de relógio variando de 100 kHz a 4 MHz eram muito comuns nesta época, em grande parte limitados pela velocidade dos dispositivos de comutação que eram construídos.

CPUs baseadas em transistores discretos e em circuitos integrados

CPU, memória de núcleo magnético e barramento externo de um DEC PDP-8/I. feito de circuitos integrados em média escala.

A complexidade do projeto de CPUs aumentou quando várias tecnologias facilitaram a construção de menores e mais confiáveis dispositivos eletrônicos. O primeiro aprimoramento veio com o advento do transistor. CPUs transistorizadas durante os anos 1950 e 1960 já não precisavam mais ser construídas com volumosos, não confiáveis e frágeis elementos de comutação, tais como válvulas e relés elétricos. Com esta melhoria, CPUs mais complexas e mais confiáveis foram construídas em uma ou várias placas de circuito impresso com componentes discretos (individuais).

Durante este período, um método de fabricação de transistores em um espaço compacto ganhou popularidade. O circuito integrado (IC, conforme iniciais em inglês) permitiu que um grande número de transistores fossem fabricados em um único die baseado em semicondutor, ou "chip". No início apenas circuitos digitais não especializados e muito básicos, tais como portas NOR foram miniaturizados em ICs. CPUs baseadas nestes IC de "blocos construídos" eram geralmente referidos como dispositivos de "integração em pequena escala" (SSI, conforme iniciais em inglês). SSI ICs, tais como os usados no computador orientado Apollo, normalmente continham somas de transistores em múltiplos de dez.

Para construir uma CPU inteira fora dos SSI ICs eram necessários milhares de chips individuais, mas ainda assim consumiam muito menos espaço e energia do que modelos anteriores baseados em transistores discretos. Quando a tecnologia microeletrônica avançou, um crescente número de transistores foram colocados em ICs, diminuindo assim a quantidade de ICs individuais necessários para uma CPU completa. Circuitos integrados MSI e LSI (integração em média e em larga escala, conforme iniciais em inglês) aumentaram a soma de transistores às centenas, e depois milhares.

Microprocessadores

Ver artigo principal: Microprocessador

O circuito integrado de um Intel 8742.

A introdução do microprocessador na década de 1970 afetou significativamente a concepção e implementação de processadores. Desde a introdução do primeiro microprocessador disponível comercialmente (o Intel 4004) em 1970 e o primeiro microprocessador utilizado (o Intel 8080), em 1974, essa classe de CPUs tem quase completamente ultrapassado todas os outros métodos de implementação de unidades centrais de processamento.