Publicado em 10 de junho de 2024
Colaboradores: Josh Schneider, Ian Smalley
Um microprocessador é o tipo predominante de processador de computador moderno. Ele combina os componentes e a função de uma unidade central de processamento (CPU) em um único circuito integrado (CI) ou em alguns CIs conectados.
Assim como as CPUs, os microprocessadores são comumente considerados o "cérebro" do computador. Ao contrário das CPUs tradicionais, os microprocessadores integram os circuitos aritméticos, lógicos e de controle das CPUs mais tradicionais em um único circuito digital multifuncional, controlado por clock e baseado em registro.
Embora os termos CPU e microprocessador sejam frequentemente usados de forma intercambiável, um microprocessador é essencialmente uma CPU completa em um único chip. Esse design de chip único reduz o número de conexões elétricas vulneráveis, melhorando a confiabilidade ao reduzir possíveis pontos de falha. Dessa forma, os microprocessadores substituíram quase completamente as CPUs tradicionais com vários componentes.
Antes dos microprocessadores, os computadores usavam racks de CIs para realizar as principais funções de computação do computador. Em 1971, ocorreu uma mudança significativa na tecnologia de computação com a introdução do Intel 4004, o primeiro microprocessador disponível comercialmente. Esse dispositivo inovador, projetado por Federico Faggin, não foi apenas uma resposta a um pedido de 12 microchips personalizados para uma calculadora do fabricante de eletrônicos japonês Busicom. Foi um momento marcante que revolucionou a forma como pensamos sobre computação, pois a Intel, em vez de produzir 12 chips individuais, criou um dispositivo lógico de uso geral.
Com pouca potência para os padrões atuais, a arquitetura do Intel 4004 operava a uma velocidade de clock de 740 kHz e só podia processar fluxos de dados com um máximo de 4 bits, também conhecido como “nibble”. Embora o 4004 seja fraco em comparação com os microprocessadores modernos de 8 bits a 64 bits, ele é universalmente considerado um avanço revolucionário em circuitos. Conforme previsto pela Lei de Moore, o rápido desenvolvimento da tecnologia de semicondutores levou a grandes melhorias na capacidade de processamento. Fabricados pelos principais fornecedores, como Intel e Pentium, e usados por todas as principais empresas de tecnologia, como IBM, Microsoft e Apple, os microprocessadores alimentam milhares de sistemas e aplicações, desde controles remotos de TV até a Estação Espacial Internacional.
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Os microprocessadores modernos combinam milhões de pequenos transistores, resistores e diodos montados em um material semicondutor para criar os componentes principais de uma CPU. Esses componentes são organizados em vários tipos de arquitetura de computador exclusiva para executar cálculos e executar instruções. As funções de um microprocessador médio podem ser divididas em quatro etapas principais.
- Buscar: o microprocessador busca instruções na memória do computador. Esse processo pode ser iniciado por entrada automática ou manual.
- Decodificar: o microprocessador "decodifica" as instruções, interpretando a entrada ou comando em uma solicitação e iniciando um processo ou cálculo específico.
- Executar: o microprocessador realiza a operação necessária ou solicitada.
- Armazenar: o resultado da execução é armazenado na memória do computador.
Os microprocessadores podem concluir esses processos combinando os componentes principais de uma CPU em um único circuito. Os principais componentes de um microprocessador são os seguintes:
- Unidade lógica aritmética (ULA): a principal unidade lógica da CPU, este componente executa operações lógicas, incluindo cálculos matemáticos e comparações de dados.
- Unidade de controle (UC): o circuito interpreta as instruções e inicia sua execução, direcionando as operações básicas do processador.
- Registros: os registros fornecem armazenamento de memória pequeno e rápido usado por uma CPU para reter temporariamente dados e instruções durante processos computacionais.
- Memória cache: microprocessadores e CPUs usam memória cache, uma forma de memória de alta velocidade localizada próxima à CPU, para armazenar dados acessados com frequência e acelerar o desempenho.
- Barramentos e interfaces de barramento: as interfaces de barramento fornecem pontos de entrada e saída para os dados viajarem por vários grupos de fios (referidos como barramentos), como o barramento de endereços ou o barramento de dados. Barramentos e interfaces conectam fisicamente diferentes componentes internos, permitindo e facilitando a comunicação dentro da CPU e outros periféricos, como unidades de entrada/saída (E/S).
- Transistores: um dos principais componentes dos CIs, os transistores são pequenos semicondutores que regulam, amplificam e geram correntes e sinais elétricos. Eles também podem atuar como comutadores simples ou ser combinados para formar portas lógicas. O número de transistores é um indicador comum da potência do microprocessador.
- Núcleos do processador: unidades de processamento individuais dentro de microprocessadores são conhecidas como núcleos. Os processadores modernos frequentemente incorporam múltiplos núcleos (dual-core, quad-core), permitindo um processamento paralelo ao possibilitar a execução de várias tarefas simultaneamente.
- Relógio: embora nem todos os microprocessadores contenham um relógio interno, todos são acionados por relógio. Alguns usam chips de relógio externos, conhecidos por sua maior precisão. Seja interno ou externo, o ciclo do relógio de um microprocessador determina a frequência com que ele executará os comandos. As velocidades do relógio moderno são medidas em megahertz (MHz) e gigahertz (GHz).
A arquitetura de um microprocessador refere-se a diversas metodologias de design e organização dos vários componentes de CPU do processador. Estes são os principais elementos de arquitetura de um microprocessador:
- Arquitetura de Conjunto de Instruções (ISA): a ISA do microprocessador define o conjunto de instruções que o processador pode executar. As ISAs, como as arquiteturas RISC (Computador com Conjunto de Instruções Reduzido) e CISC (Computador com Conjunto de Instruções Complexo), oferecem vários métodos para processamento de dados, com diferentes níveis de desempenho, confiabilidade e velocidade, adequados para diversos tipos de aplicações.
- Caminho de dados: o caminho de dados de um microprocessador dita a ordem em que os dados se movem através de seus componentes (barramentos, ULA, registradores), influenciando o desempenho geral.
- Caminho de controle: Semelhante ao caminho de dados, o caminho de controle na arquitetura de um microprocessador instrui a sequência de operações e gerencia a transmissão de dados dentro da CPU.
- Hierarquia de memória: a hierarquia de memória é um componente crítico da arquitetura do processador, fornecendo uma estrutura para diferentes níveis de memória (cache, registros, RAM) para otimizar o acesso eficiente aos dados e a velocidade de recuperação.
Os microprocessadores variam em potência, desempenho, metodologias de arquitetura, tamanho, consumo de energia e muitas outras variáveis e são projetados para todos os tipos de aplicações. Microprocessadores de uso geral são comuns em computadores pessoais e dispositivos móveis, enquanto unidades especializadas de alto desempenho, como Processadores de Sinal Digital (DSPs), são projetadas para tarefas exigentes como processamento de áudio, fala, vídeo e imagem.
A seguir estão alguns dos principais tipos de microprocessadores.
Esses microprocessadores versáteis são encontrados em uma ampla gama de aplicações e dispositivos comuns, como notebooks e servidores.
Embora seja mais correto dizer que os microcontroladores contêm microprocessadores, esses tipos de chips também apresentam todos os componentes adicionais necessários para um computador funcional, ou seja, memória interna. Microcontroladores funcionam como microcomputadores e são preferidos para controlar elementos específicos dentro de sistemas de computadores embarcados. Microcontroladores pequenos e de baixo consumo de energia não exigem sistemas operacionais complexos para funcionar e são comumente usados na indústria automotiva para otimizar Unidades de Controle do Motor (ECUs), Sistemas Avançados de Assistência ao Motorista (ADAS) e unidades de infoentretenimento, bem como em uma vasta gama de dispositivos eletrônicos de consumo e até mesmo em automação industrial.
Os DSPs são especializados em cálculos numéricos de alta velocidade e geralmente são usados para tarefas exigentes, como processamento de áudio, telecomunicações e processamento de imagens. Eles também podem ser encontrados em aplicações que requerem a interpretação de sinais analógicos para digitais, como sensores meteorológicos. Os DSPs são comumente usados em aplicações militares, como drones de vigilância e outras aeronaves autônomas.
Os microprocessadores ASIC são projetados para tarefas específicas e são personalizados para atender às demandas específicas de diversas aplicações. Alguns exemplos de microprocessadores ASIC incluem chips personalizados para consoles de jogos ou mineração de criptomoedas. DSPs, GPUs e outros tipos de microprocessadores especializados também são tecnicamente ASICs.
Os microprocessadores de GPU são especialmente projetados para a exigente tarefa de renderizar vídeos e gráficos digitais que exigem desempenho de alta potência e processamento paralelo. Essencialmente importantes para jogos de última geração, os potentes microprocessadores de GPU também são comumente usados na mineração de criptomoedas e são conhecidos pelo alto consumo de energia.
Um tipo de microprocessador ASIC especificamente otimizado para o processamento de pacotes de dados de rede mais frequentemente utilizados em switches de telecomunicações, roteadores e dispositivos de segurança de rede.
Os coprocessadores, como as unidades de ponto flutuante (FPUs), são projetados para fornecer suporte auxiliar à CPU principal de um sistema para aumentar o desempenho durante certas tarefas exigentes, como a realização de cálculos científicos avançados ou fórmulas matemáticas complicadas.
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Uma unidade central de processamento (CPU) é o principal componente funcional de um computador. A CPU é um conjunto de circuitos eletrônicos que executa o sistema operacional e os aplicativos, além de gerenciar várias outras operações do computador.
O armazenamento de dados refere-se a mídias magnéticas, ópticas ou mecânicas que gravam e preservam informações digitais para operações contínuas ou futuras.
Uma unidade de microcontrolador (MCU) é essencialmente um pequeno computador em um único chip. Ele foi projetado para gerenciar tarefas específicas em um sistema incorporado sem a necessidade de um sistema operacional complexo.
Uma FPGA (matriz de portas programáveis em campo) é um tipo versátil de circuito integrado projetado para ser programável no nível de hardware para atender a diferentes propósitos, como computação de alto desempenho (HPC) e prototipagem.
As matrizes de portas programáveis em campo (FPGAs) e as unidades de microcontroladores (MCUs) são dois tipos de circuitos integrados (ICs) comumente comparados e normalmente usados em sistemas incorporados e projetos digitais. Tanto os FPGAs quanto os microcontroladores podem ser considerados "pequenos computadores" que podem ser integrados a dispositivos e sistemas maiores.
Uma unidade de processamento gráfico, também conhecida como unidade de processamento gráfico ou GPU, é um circuito eletrônico projetado para acelerar o processamento de imagens e gráficos de computador em vários dispositivos, incluindo placas de vídeo, placas de sistema, telefones celulares e computadores pessoais (PCs).