O que é um microprocessador?

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 o processamento principal. Em 1971, um grande avanço ocorreu na tecnologia computacional com a chegada do Intel 4004, o primeiro microprocessador comercialmente disponível. Esse dispositivo inovador, criado por Federico Faggin, foi muito além de atender ao pedido de 12 microchips personalizados para uma calculadora da fabricante japonesa Busicom. Esse foi um marco que mudou a forma como pensamos a computação, já que a Intel, em vez de produzir 12 chips separados, criou um dispositivo lógico de uso geral.

Mesmo sendo limitado para os padrões atuais, o Intel 4004 operava a 740 kHz e processava dados de até 4 bits, um valor conhecido como “nibble”. Embora seja fraco em comparação com os microprocessadores modernos de 8 a 64 bits, o 4004 é reconhecido como um avanço revolucionário na eletrônica. Como previa a Lei de Moore, o avanço acelerado da tecnologia de semicondutores impulsionou melhorias significativas no poder de processamento. Fabricados por líderes como Intel e Pentium e utilizados por empresas como IBM®, Microsoft e Apple, os microprocessadores impulsionam milhares de sistemas e aplicações, desde controles remotos até a Estação Espacial Internacional.

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.

1. Buscar: o microprocessador busca instruções na memória do computador. O processo de obtenção pode ser iniciado por entrada automática ou manual.
2. Decodificação: o microprocessador “decodifica” as instruções, interpretando o input ou comando como uma solicitação que aciona um processo ou cálculo específico.
3. Executar: basicamente, o microprocessador realiza a operação necessária ou solicitada.
4. Armazenar: o resultado da execução é armazenado na memória do computador.

Os microprocessadores realizam esses processos combinando os principais componentes da CPU em um único circuito. Os principais componentes de um microprocessador são os seguintes:

• Unidade lógica e aritmética (ALU): este componente é a principal unidade lógica da CPU e realiza operações lógicas, incluindo cálculos matemáticos e comparações de dados.
  
  
• Unidade de controle (CU): a CU interpreta as instruções e inicia sua execução, coordenando 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 controlam os pontos de entrada e saída dos dados que circulam entre grupos de fios, como barramentos de endereço ou dados. Os barramentos e suas interfaces conectam fisicamente diversos componentes internos, permitindo e facilitando a comunicação dentro da CPU e com periféricos como as unidades de input/output (I/O).
  
  
• Transistores: elementos fundamentais dos CIs, os transistores são semicondutores pequenos que regulam, amplificam e geram sinais e correntes elétricas. Eles também podem funcionar como chaves simples ou se combinar 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 quais instruções o processador executa. As arquiteturas RISC (Reduced Instruction Set Computer) e CISC (Complex Instruction Set Computer) oferecem diferentes métodos de processamento de dados, com níveis variados de desempenho, confiabilidade e velocidade, ideais para diferentes 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, pois organiza os diferentes níveis de memória (cache, registradores, 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.