O processador – organização interna

Durante todo o processo de formação das arquiteturas de computador, vários projetos foram desenvolvidos com o intuito de oferecer um “dispositivo” capaz de resolver milhões de instruções em tempo hábil e com resultados precisos. Com certeza, se fôssemos fazer alguma analogia comparativa entre nós, seres humanos, e o computador, o nosso cérebro seria o processador. Conectado com todo o sistema de comunicação, este por sua vez possui inúmeras tarefas, entre elas o processamento das informações. Para iniciar esta unidade, você vai estudar algumas das funções que o processador desenvolve.

Tudo começa com o processo de extração de instruções. Este ato ocorre quando o processador busca as informações na memória principal do computa- dor e as interpreta, decodificando-as para determinar as ações necessárias. Após tais procedimentos, começa a extração dos dados, em que são feitas as execu- ções de uma instrução, podendo necessitar de leituras de dados da memória ou de um módulo de entrada/saída. Após a extração de dados, é feito o processa-

ração aritmética ou lógica sobre os dados. Por fim, a escrita de dados, ou seja, os resultados de uma execução podem obrigar a escrita de dados na memória ou num módulo de entrada/saída (SILVA; DATA; PAULA, 2009).

Thiago Rocha (2012) Palavra de controle Bits de estado Barramento de endereços Unidade de processamento Barramento de dados Banco de registos ULA PC IR Unidade de C on tr ole

Figura 12 − Estrutura interna de um processador

Dos vários componentes necessários para a estrutura de um processador, po- demos destacar alguns importantes como os registradores, memória cache,

ula e uC.

a) registrador – É um dispositivo de armazenamento de dados. Neste caso, o tamanho do registrador é medido em bits, variando de 8 a 256 bits. O conjun- to de todos os registradores forma uma memória interna do processador, de alta velocidade, mas de baixa capacidade se comparada com outras memó- rias (cache, principal, disco rígido, CD etc.). O registrador é a memória mais rápida da hierarquia de memória do computador. É possível ler e escrever rapidamente nele (HENNESSY; PATTERSON, 2003).

Os registradores estão no topo da hierarquia de memória, sendo assim são os meios mais rápidos e caros de se armazenar um dado.

Estima-se que, se uma memória comum de armazenamento trabalhasse na mesma velocidade de escrita e leitura de uma memória de registrador, seria praticamente inviável financeiramente manter estas memórias nos PCs atu- ais na mesma proporção que mantemos hoje. Ou seja, 2 Gb, 4 Gb ou 8 Gb de memória comum trabalhando na mesma frequência que uma memória de um registrador poderia tranquilamente custar bem mais do que o próprio computador inteiro.

b) Memória cache – Imagine que você trabalhe numa bancada, na qual fre- quentemente é necessário apertar um parafuso, mas a chave de fenda está num armário que fica a 100 metros de distância. Ou seja, cada vez que você tiver que aperta um parafuso é preciso buscar a chave de fenda, usa-lá e depois colocá-la novamente no lugar. Isso será muito pouco eficiente e vai demorar bastante, concorda? Mas como sempre há parafusos para apertar, para agilizar esse processo você deve guardar essa chave em uma gaveta na sua bancada, perto do parafuso.

O cache seria equivalente a essa gaveta, um artifício que agiliza o seu traba- lho. A memória cache é um tipo rápido de memória localizada no proces- sador. Ela armazena as informações mais utilizadas pelo processador para que sejam acessadas mais rapidamente. Com a evolução da tecnologia dos processadores, eles começaram a ser mais rápidos que a memória RAM, obri- gando o processador a esperar a liberação da RAM para terminar sua tarefa. Com isso surgiu a memória cache, e a partir daqui o processador reduz o número de acessos na memória RAM “lenta”. Dessa forma, ele não perde o seu desempenho. Os chips de memória cache utilizam a memória do tipo SRAM, que é mais rápida e não precisa ser atualizada o tempo todo.

A cache trabalha como uma memória intermediária entre a memória prin- cipal e os registradores do processador, dividida em níveis LX, onde X é um número natural. Ela é bastante comum na arquitetura dos processadores atuais, onde podem vir em dois níveis ou até mesmo três níveis: L1, L2 e L3. Geralmente as caches L1 e L2 estão embutidas (on-chip ou on-die) no chip do processador. Nos computadores mais antigos, era possível encontrar a cache L2 fora do chip da CPU, por isso reduzia o custo de fabricação do pro- cessador. Já os processadores mais recentes, como o Core i7, possuem três níveis de cache (L1, L2 e L3). Com o passar do tempo, vários tipos de cache foram desenvolvidos (STALLINGS, 2003).

c) ula – A Unidade Lógica Aritmética é um dos núcleos de processamento do processador. A ULA processa informações dos registradores para ge- rar outros dados que são resultados de uma operação. A ULA realiza ope- rações com os operadores matemáticos como soma, subtração, multiplica- ção e divisão, e também operações lógicas como AND, OR, XOR, entre outras (STALLINGS, 2003).

d) uC – A Unidade de Controle (UC) é um componente do processador res- ponsável por gerar sinais que controlam outros componentes, como a ula e os registradores. Os sinais são gerados com base na instrução que está sendo processada. A ULA recebe esses sinais para saber qual operação exe- cutar (soma, divisão, AND, OR, XOR), quais registradores fornecerão dados de entrada para ULA e qual será o registrador que armazenará o resultado da operação (STALLINGS, 2003).

VOCÊ

SABIA?

Cada processador possui um conjunto de instruções que ele pode executar. Além das instruções aritméticas, uma CPU pode executar instruções de transferência de controle, manipulação de bit, suporte ao sistema opera- cional e de controle do processador.