Omicroprocessador, geralmente chamado apenas deprocessador, é umcircuito integrado que realiza as funções de cálculo e tomada de decisão de umcomputador. Todos os computadores e equipamentos eletrônicos baseiam-se nele para executar suas funções, podemos dizer que o processador é o cérebro do computador por realizar todas estas funções.
Um microprocessador incorpora as funções de uma unidade central de computação (CPU) em um único circuito integrado, ou no máximo alguns circuitos integrados. É um dispositivo multifuncional programável que aceita dados digitais como entrada, processa de acordo com as instruções armazenadas em sua memória, e fornece resultados como saída. Microprocessadores operam com números e símbolos representados nosistema binário.
Arquitetura interna de um microprocessador dedicado para processamento de imagens de ressonância magnética, a fotografia foi aumentada 600 vezes, sob luz ultravioleta para se enxergar os detalhesVista inferior de um Athlon XP 1800+ núcleo Palomino, um microprocessador.
O microprocessador é umcircuito integrado formado por uma camada chamada demesa epitaxial desilício, trabalhada de modo a formar umcristal 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, escolhido entre os disponíveis no mercado, determina, em certa medida a capacidade de processamento docomputador e também o conjunto primário de instruções que ele compreende. Osistema operativo é construído sobre este conjunto.
O próprio microprocessador subdivide-se em várias unidades, trabalhando em altas freqüências. AULA (Unidade Lógica e Aritmética), unidade responsável pelos cálculos aritméticos e lógicos e osregistradores são parte integrante do microprocessador na famíliax86, por exemplo.
Embora seja a essência do computador, o microprocessador diferente domicrocontrolador, está longe de ser um computador completo. Para que possa interagir com o utilizador precisa de:memória, dispositivos deentrada/saída, umclock, 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.
Intel 8008, um dos primeiros microprocessadores comerciais.
O primeiro microprocessador comercial foi projetado pelaIntel em1971 para atender uma empresa japonesa que precisava de um circuito integrado especial para as suas atividades.[1] A Intel projectou o4004, que era um circuito integradoprogramável que trabalhava com registradores de 4bits, 46 instruções, clock de 740 kHz e possuía cerca de 2 300transistores. Percebendo a utilidade desse invento a Intel prosseguiu com o desenvolvimento de novos microprocessadores:8008 (o primeiro de 8 bits) e a seguir o8080 e o microprocessador8085. O 8080 foi um grande sucesso e tornou-se a base para os primeiros microcomputadores pessoais na década de 1970 graças aosistema operacionalCP/M. Da Intel saíram alguns funcionários que fundaram aZilog, que viria a lançar o microprocessadorZ80, com instruções compatíveis com o 8080 (embora muito mais poderoso que este) e também de grande sucesso. AMotorola possuía o68000 e aMOS Technology o6502. A Motorola ganhou destaque quando implantou o MC68000P12, de 12 MHz com arquitetura de 32 bits (embora seu barramento de dados fosse de 24 bits e o de endereços de16 bits), no Neo-Geo, um poderoso Arcade da SNK que posteriormente ganharia a versão AES (console casero) e CD (versão CD), todos eles com o mesmo hardware inicial.
Todos os microprocessadores de 8 bits foram usados em muitos computadores pessoais (Sinclair,Apple Inc.,TRS,Commodore, etc).
Em 1981 aIBM decidiu lançar-se no mercado de computadores pessoais e no seuIBM-PC utilizou um dos primeiros microprocessadores de 16 bits, o8088 (derivado do seu irmão 8086 lançado em 1978) que viria a ser o avô dos computadores atuais. A Apple nos seus computadoresMacintosh utilizava os processadores da Motorola, a família 68000 (de 32 bits).
Como grande concorrente da Intel, aAMD aparece inicialmente como fabricante de microprocessadores da linhax86 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,Phenom.
Paralelamente à disputa entre Intel e AMD, a IBM possuía a linhaPowerPC utilizada principalmente pelos microcomputadores da Apple.
A evolução tecnológica envolvida é surpreendentemente grande, de microprocessadores que trabalhavam comclock de dezenas de KHz e que podiam processar alguns milhares de instruções por segundo, atingiu-se clocks na casa dos 7 GHz e poder de processamento de dezenas de bilhões 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.
AUnidade lógica e aritmética (ULA) é a responsável por executar efetivamente as instruções dos programas, como instruções lógicas, matemáticas, desvio, etc.
AMMU (em inglês: Memory Management Unit) é um dispositivo dehardware que transforma endereços virtuais em endereços físicos e dá suporte para o sistema operacional administrar a alocação da memória principal do computador entre os diversos programas em execução no computador.
Nos processadores atuais são implementadas unidades de cálculo de números reais. Tais unidades são mais complexas que ULAs e trabalham com operandos reais, também chamados de ponto flutuante, com tamanhos típicos variando entre 32, 64 e 128 bits.
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, ouHertz.
A capacidade de processamento do processador não está relacionada exclusivamente à frequência do relógio, mas também a outros fatores como: largura dos barramentos, quantidade dememória cache, arquitetura do processador, tecnologia de co-processamento, tecnologia de previsão de saltos (branch prediction), tecnologia depipeline, conjunto de instruções, etc.
O aumento da frequência de operação nominal do processador é denominadooverclocking.
Existem duas principaisarquiteturas usadas em processadores:
A arquitetura de Von Neumann. Esta arquitetura caracteriza-se por apresentar um barramento externo compartilhado entre memória de dados e memória de programa. Embora apresente baixo custo, esta arquitetura apresenta desempenho limitado pelo gargalo do barramento;
A arquitetura deHarvard. Nesta arquitetura existem dois barramentos externos independentes (e normalmente também memórias independentes) para dados e instruções. 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.
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 denominamosmicrocódigo. Esta técnica de computação baseada em microcódigo é denominadamicroprogramação;
RISC (em inglês:Reduced Instruction Set Computing, Computador com um Conjunto Reduzido de Instruções) usada em processadores PowerPC (da Apple, Motorola e IBM), SPARC (SUN), MIPS, ARM e RISC-V; 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.
Com o passar do tempo, as características de um modelo passaram também a serem incorporadas ao outro, tanto aumentando o número de instruções das arquiteturas RISC, em especial com as extensões vetoriais como NEON do ARM, quanto simplificando o processo de execução das arquiteturas CISC, onde mais de um tipo de decodificador de instrução permite a decodificação e execução rápida das instruções simples, deixando o microcódigo apenas para as instruções mais complexas.
Processadores Digitais de Sinal (DSP do inglêsDigital 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 deCD,DVD etelevisores 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 comoconversores A/D[desambiguação necessária] 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.
Durante o processo de desenvolvimento dodesign 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 desoftware, embora sua execução seja mais lenta que o mesmo sendo executado em um processador especializado.
Processadores dedicados são fabricados para executarem tarefas específicas, como criptografia, processamento vetorial e gráfico, sendo nesse caso bem mais rápidos do que processadores de propósito geral em tarefas equivalentes.
No caso do processamento gráfico, existem asGPUs, que são microprocessadores geralmente com memória dedicada e especialmente desenvolvidos para cálculos gráficos.
Nem sempre os processadores seguem definidamente esses dois modelos, sendo o motivo disso que muitos processadores modernos incorporam processadores especializados (co-processador), para cálculos de criptografia, processamento de vetores, etc..
Até há poucos anos usaram-se microprocessadores para atividades domésticas ou de negócios com simples núcleo. Atualmente são utilizados microprocessadores de múltiplos núcleos para melhorar a capacidade de processamento. Espera-se que no futuro os sistemas operacionais domésticos sejamcompilados para trabalhar com processadores de múltiplos núcleos corretamente, realizando assim inúmeras tarefas ao mesmo tempo (como já acontece com os supercomputadores).
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.
A capacidade de processamento de um microprocessador é de certa forma difícil de medir, uma vez que esse desempenho pode se referir a quantidade máxima teórica de instruções que podem ser executadas por segundo, que tipos de instruções são essas, em Flops (instruções de ponto flutuante por segundo), podendo essa ser de precisão simples, dupla, quádrupla, dependendo do contexto, e em MIPS (milhões de instruções por segundo), sendo essas operações com números inteiros.
Somente a capacidade máxima teórica de um microprocessador não define seu desempenho, somente dá uma noção da sua capacidade, uma vez que sua arquitetura, barramento com a memória, entre outros, também influenciam no seu desempenho final. Sendo assim, sua capacidade de processamento é medida comparando-se a velocidade de execução de aplicativos reais, podendo-se assim, testar seu desempenho em atividades comuns.
Referências
↑MANUEL MARTINS, J., Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores
