O que é uma CPU?
Uma unidade central de processamento (CPU) é um componente de hardware que é a unidade computacional principal em um servidor. Servidores e outros dispositivos inteligentes convertem dados em sinais digitais e executam operações matemáticas neles. A CPU é o principal componente que processa os sinais e torna a computação possível. Ela atua como o cérebro de qualquer dispositivo de computação. Ela busca instruções na memória, executa as tarefas necessárias e envia a saída de volta para a memória. Além disso, lida com todas as tarefas de computação necessárias para executar o sistema operacional e as aplicações.
Como a tecnologia de CPU avançou ao longo do tempo?
Os primeiros computadores usavam tubos de vácuo para processamento. Máquinas como a ENIAC e a UNIVAC eram grandes e volumosas, consumiam muita energia e geravam calor significativo. A invenção dos transistores no final da década de 1940 revolucionou a tecnologia de CPU. Os transistores substituíram os tubos de vácuo, tornando os computadores menores, mais confiáveis e mais eficientes em termos de energia. Em meados da década de 1960, foram desenvolvidos circuitos integrados (ICs), que combinavam vários transistores e outros componentes em um único chip de computador. As CPUs se tornaram ainda menores e mais rápidas, levando ao surgimento de microprocessadores.
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Microprocessadores
Os microprocessadores combinaram toda a CPU em um único chip IC, o que tornou os computadores mais acessíveis e levou ao desenvolvimento de computadores pessoais. Inicialmente, as CPUs podiam lidar com 16 a 32 bits de dados por vez. No início dos anos 2000, surgiram CPUs de 64 bits, o que permitiu um maior endereçamento de memória e suportou um processamento de dados mais extenso.
Com o aumento da densidade do transistor, tornou-se um desafio aumentar ainda mais o desempenho da CPU de núcleo único. Em vez disso, os fabricantes de CPU começaram a usar arquiteturas de processadores com vários núcleos para integrar vários núcleos em um único chip.
Processadores modernos
Com o surgimento dos dispositivos móveis, a eficiência energética se tornou crucial. Os fabricantes de CPU agora desenvolvem CPUs de baixo consumo de energia e com baixo consumo de energia para dispositivos portáteis modernos, como smartphones e tablets.
À medida que a inteligência artificial (IA) e as tarefas com uso intenso de gráficos se tornaram mais predominantes, CPUs especializadas, como unidades de processamento gráfico (GPUs) e aceleradores de IA, agora são usadas para lidar com as workloads.
A pesquisa e o desenvolvimento contínuos em nanotecnologia e ciência dos materiais abriram o caminho para transistores microscópicos e CPUs mais potentes. A computação quântica e outras tecnologias emergentes têm o potencial de desenvolver ainda mais a tecnologia de processadores de computador.
Quais são os componentes de uma CPU?
Uma CPU corresponde a um circuito eletrônico complexo que compreende vários componentes principais que processam dados e executam instruções. Os principais componentes de uma CPU são mostrados a seguir.
Unidade de controle
A unidade de controle gerencia o processamento de instruções e coordena o fluxo de dados dentro da CPU e entre outros componentes do computador. Ela tem um componente decodificador de instruções que interpreta as instruções obtidas da memória e as converte em micro-operações que a CPU pode executar. A unidade de controle direciona outros componentes da CPU para executar as operações necessárias.
Registradores
Os registradores são pequenos locais de armazenamento de memória de alta velocidade dentro da CPU. Eles mantêm os dados nos quais a CPU está trabalhando no momento e facilitam o acesso rápido aos dados. As CPUs têm vários tipos de registradores, como estes:
- Registradores de uso geral que armazenam dados operacionais.
- Registradores de instrução que armazenam a instrução que está sendo processada no momento.
- Um contador de programa que contém o endereço de memória da próxima instrução a ser buscada.
Os registradores fornecem tempos de acesso mais rápidos do que outros níveis de memória, como a RAM ou a memória do cache.
ULA
A unidade lógica aritmética (ULA) realiza operações aritméticas básicas (adição, subtração, multiplicação e divisão) e operações lógicas (AND, OR e NOT) nos dados. Ela recebe dados de registradores dentro da CPU, processa-os com base nas instruções da unidade de controle e produz o resultado.
Unidade de gerenciamento de memória
Dependendo da arquitetura da CPU, pode haver uma unidade de interface de barramento separada ou uma unidade de gerenciamento de memória. Esses componentes lidam com tarefas relacionadas à memória, como o gerenciamento da interação entre a CPU e a RAM. A unidade também lida com a memória do cache, uma unidade de memória pequena e rápida que está localizada dentro da CPU, e a memória virtual que a CPU requer para o processamento de dados.
Relógio
A CPU depende de um sinal de relógio para sincronizar suas operações internas. O relógio gera um pulso constante em uma frequência específica e esses ciclos de relógio coordenam as operações da CPU. A velocidade do relógio é medida em hertz (Hz) e determina quantas instruções a CPU pode executar por segundo. As CPUs modernas têm velocidades de relógio variáveis, que se ajustam com base na workload para equilibrar a performance e o consumo de energia.
Como funciona uma CPU?
Os processadores de computador funcionam com outros componentes de hardware e programas de software para processar dados e gerenciar o fluxo de informações em dispositivos eletrônicos. Eles normalmente funcionam em ciclos, com cada ciclo de instrução representando três etapas principais.
Ciclo do processador principal
As etapas básicas de um ciclo de instrução são apresentadas a seguir.
Busca de instruções
A CPU obtém instruções da memória. As instruções são códigos binários que representam tarefas ou operações específicas para a CPU. A unidade de controle interpreta a instrução e determina a operação a ser executada. Ele também identifica os componentes específicos da CPU necessários para a tarefa.
Processamento de instruções
A CPU executa a operação especificada nos dados buscados. Executa cálculos matemáticos, comparações lógicas, manipulação de dados ou transferência de dados entre registros ou locais de memória.
Armazenamento de resultados
Depois de executar as instruções, a CPU pode precisar armazenar os resultados na memória ou atualizar registros específicos com os novos dados. O contador de programas (PC) é atualizado para apontar para o endereço da próxima instrução a ser buscada. A CPU repete o ciclo e busca, decodifica e executa instruções sequencialmente.
Funções adicionais do processador
A CPU também pode lidar com instruções de fluxo de controle, como saltos e ramificações, além de interrupções, sinais gerados por dispositivos externos ou eventos que exigem atenção imediata. Quando ocorre uma interrupção, a CPU suspende temporariamente a tarefa atual, salva seu estado e passa para uma rotina de serviço de interrupção. Depois de processar a interrupção, a CPU retoma a tarefa anterior.
As CPUs modernas geralmente usam técnicas como paralelismo e pipeline de instruções para melhorar o desempenho. Várias instruções podem estar em diferentes estágios do ciclo simultaneamente, o que permite um uso mais eficiente dos recursos da CPU.
Quais são alguns dos atributos avançados da CPU?
A melhor CPU se destaca em desempenho, eficiência e flexibilidade, permitindo que ela realize com eficácia uma ampla variedade de tarefas de computação. A seguir, apresentaremos alguns atributos avançados.
Núcleos
Embora um processador de núcleo único fosse padrão no passado, todas as CPUs têm vários núcleos físicos atualmente. Um núcleo é uma unidade de processamento individual dentro de uma CPU. Mais núcleos permitem que a CPU lide com vários threads (sequências de instruções) em paralelo, melhorando significativamente o desempenho geral. Os aplicativos podem tirar proveito do design de vários núcleos dividindo as tarefas em subtarefas menores que podem ser concluídas simultaneamente.
Hyperthreading
Hiperthreading é uma implementação de multithreading simultâneo desenvolvida pela Intel que permite que cada núcleo da CPU execute múltiplas threads simultaneamente. Permite que cada núcleo físico apareça como dois núcleos virtuais no sistema operacional. O software usa os recursos de hardware disponíveis com mais eficiência.
Conjuntos de instruções avançadas
As CPUs modernas também apresentam conjuntos de instruções e tecnologias avançadas projetadas para acelerar tarefas específicas. Esses conjuntos de instruções vão além das operações aritméticas e lógicas fundamentais, fornecendo recursos adicionais para lidar com cálculos complexos com mais eficiência.
Por exemplo, as CPUs podem incluir conjuntos de instruções especificamente para essas tarefas:
- Tarefas multimídia, como decodificação de vídeo, codificação de áudio e processamento de imagens.
- Algoritmos de criptografia e descriptografia, como o Padrão de Criptografia Avançada (Advanced Encryption Standard, AES) e o Algoritmo de Hash Seguro (Secure Hash Algorithm, SHA).
- Tarefas de instrução única, vários dados (SIMD) que exigem que a CPU execute simultaneamente a mesma operação em grandes conjuntos de dados. São tarefas como renderização gráfica, simulações científicas e processamento digital de sinais.
- Virtualização, permitindo que máquinas virtuais (VMs) funcionem com mais eficiência.
- Workloads de IA, como operações de rede neural.
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