Processadores: Clock, Bits, Memória, Cachê e Múltiplos núcleos

Introdução

Os processadores (ou CPUs, de Central Processing Unit)
são chips responsáveis pela execução de cálculos, decisões
lógicas e instruções que resultam em todas as tarefas que um
computador pode fazer e, por esse motivo, são também
referenciados como "cérebros" dessas máquinas. Embora haja poucos
fabricantes (essencialmente, Intel, AMD
e VIA), o
mercado conta com uma grande variedade de processadores. Apesar
disso e das diferenças existentes entre cada modelo, todos
compartilham de alguns conceitos e características. Com base
nisso, o InfoWester apresenta este artigo de introdução aos
processadores, onde você conhecerá a função e o significado de
clock, bits internos, memória cache e chips com dois ou mais
núcleos.

O trabalho de um processador

O processador é um chip de silício responsável pela
execução das tarefas cabíveis a um computador. Para entender
como um processador trabalha, é conveniente dividirmos um
computador em três partes: processador, memória e um conjunto
de dispositivos de entrada e saída (ou I/O, de Input/Output).
Neste último, encontra-se qualquer item responsável pela
entrada ou saída de dados no computador, como monitores de vídeo,
teclados, mouses, impressoras, scanners, discos rígidos, etc. Nesse
esquema, obviamente, o processador exerce a função principal,
já que a ele cabe o acesso e a utilização da memória e dos
dispositivos de entrada e saída para a execução de suas
atividades.
Para entender melhor, suponha que você queira que o seu
computador execute um programa qualquer. Um programa consiste
em uma série de instruções que o processador deverá executar
para que a tarefa solicitada seja realizada. Para isso, o
processador transfere todos os dados necessários à execução, de
um dispositivo de entrada e/ou saída - como um disco rígido
- para a memória. A partir daí, todo o trabalho é
realizado e o que vai ser feito do resultado depende do programa. O
processador pode ser orientado a enviar as informações
processadas para o HD novamente ou para uma impressora, por
exemplo, tudo depende das instruções com as quais lidar.

Barramentos

A imagem a seguir ilustra a comunicação entre o processador,
a memória e o conjunto de dispositivos de entrada e saída.
Note que a conexão entre esses itens é indicada por setas.
Isso é feito para que você possa entender a função dos
barramentos. De maneira geral, estes são os responsáveis pela
interligação e comunicação dos dispositivos em um computador.
Note que, para o processador se comunicar com a memória e com o
conjunto de dispositivos de entrada e saída, há 3 setas, isto
é, barramentos: um se chama barramento de endereços (address
bus); outro, barramento de dados (data bus);
o terceiro, barramento de controle (control bus).

O barramento de endereços, basicamente, indica de onde os dados
a serem processados devem ser retirados ou para onde devem ser
enviados. A comunicação por esse barramento é unidirecional,
razão pela qual só há seta em uma das extremidades da
linha no gráfico que representa a sua comunicação. Como o nome
deixa claro, é pelo barramento de dados que os dados transitam.
Por sua vez, o barramento de controle faz a sincronização das
referidas atividades, habilitando ou desabilitando o fluxo de dados,
por exemplo.
Para você compreender melhor, imagine que o processador necessita
de um dado presente na memória. Pelo barramento de endereços,
ele obtém a localização desse dado dentro da memória.
Como precisa apenas acessar o dado, o processador indica pelo barramento
de controle que esta é uma operação de leitura na
memória. O dado é então localizado e inserido no barramento de
dados, por onde o processador, finalmente, o lê.

Clock interno e clock externo

Em um computador, todas as atividades necessitam de
sincronização. O clock serve justamente para isso, ou
seja, basicamente, atua como de sinal de sincronização. Quando
os dispositivos do computador recebem o sinal de executar suas
atividades, dá-se a esse acontecimento o nome de "pulso de
clock". Em cada pulso, os dispositivos executam suas tarefas,
param e vão para o próximo
ciclo de clock.
A medição do clock é feita em hertz (Hz), a
unidade padrão de medidas de freqüência, que indica o número de
oscilações ou ciclos que ocorre dentro de uma determinada
medida de tempo, no caso, segundos. Assim, se um processador
trabalha à 800 Hz, por exemplo, significa que é capaz de lidar
com 800 operações de ciclos de clock por segundo. Repare que,
para fins práticos, a palavra kilohertz
(KHz) é utilizada para indicar 1000 Hz, assim como o termo megahertz
(MHz) é usado para indicar 1000 KHz (ou 1 milhão de hertz).
De igual forma, gigahertz (GHz) é a denominação
usada quando se tem 1000 MHz, e assim por diante. Com isso, se um
processador tem, por exemplo, uma freqüência de 800 MHz,
significa que pode trabalhar com 800 milhões de ciclos por
segundo.
As freqüências com as quais os processadores trabalham são
chamadas também de clock interno. Neste ponto, você
certamente já deve ter entendido que é daí que vem expressões
como Pentium 4 de 3,2 GHz, por exemplo. Mas, os processadores
também contam com o que chamamos de clock externo ou Front
Side Bus (FSB) ou, ainda, barramento frontal.
O FSB existe porque, devido a limitações físicas, os
processadores não podem se comunicar com a memória (mais
precisamente, como a ponte norte - ou northbridge - do chipset,
que contém o controlador da memória) usando a mesma velocidade
do clock interno. Assim, quando essa comunicação é
feita, o clock externo, de freqüência mais baixa, é que é
usado. Note que, para obter o clock interno, o processador usa
uma multiplicação do clock externo. Para entender melhor,
suponha que um determinado processador tenha clock externo de 100 MHz.
Como o seu fabricante indica que esse chip trabalha à 1,6 GHz
(ou seja, tem clock interno de 1,6 GHz), seu clock externo é
multiplicado por 16: 100 x 16 = 1600 MHz ou 1,6 GHz.
É importante deixar claro, no entanto, que se dois processadores
diferentes - um da Intel e outro da AMD, por exemplo - tiverem
clock interno de mesmo valor - 2,8 GHz, para exemplificar -,
não significa que ambos trabalham à mesma velocidade. Cada
processador tem um projeto distinto e conta com características
que determinam o quão rápido é. Assim, um determinado
processador pode levar, por exemplo, 2 ciclos de clock para
executar uma instrução. Em outro processador, essa mesma
instrução pode requerer 3 ciclos. Além disso, muitos
processadores - especialmente os mais recentes - transferem 2
ou mais dados por ciclo de clock, dando a entender que um
processador que faz, por exemplo, transferência de 2 dados por
ciclo e que trabalha com clock externo de 133 MHz, o faz à 266
MHz. Por esses e outros motivos, é um erro considerar apenas o
clock interno como parâmetro de comparação entre processadores
diferentes.

Bits dos processadores

O número de bits é outra importante característica dos
processadores e, naturalmente, tem grande influência no desempenho
desse dispositivo. Processadores mais antigos, como o 286,
trabalhavam com 16 bits. Durante muito, no entanto,
processadores que trabalham com 32 bits foram muitos comuns,
como as linhas Pentium, Pentium II, Pentium III e Pentium 4 da
Intel, ou Athlon XP e Duron da AMD. Alguns modelos de 32 bits
ainda são encontrados no mercado, todavia, o padrão atual são
os processadores de 64 bits, como os da linha Core 2 Duo, da
Intel, ou Athlon 64, da AMD.
Em resumo, quanto mais bits internos o processador trabalhar,
mais rapidamente ele poderá fazer cálculos e processar dados em
geral, depedendo da execução a ser feita. Isso acontece porque
os bits dos processadores representam a quantidade de dados
que os circuitos desses dispositivos conseguem trabalhar por
vez. Um processador com 16 bits, por exemplo, pode manipular um
número de valor até 65.535. Se esse processador tiver que
realizar uma operação com um número de 100.000, terá que fazer a
operação em duas partes. No entanto, se um chip trabalha a 32
bits, ele pode manipular números de valor até 4.294.967.295 em
uma única operação. Como esse valor é superior a 100.000, a
operação será possível em uma única vez.
Em relação aos processadores de 64 bits, saiba mais sobre
eles neste artigo.

Memória cache

Os processadores passam por aperfeiçoamentos constantes, o que
os tornam cada vez mais rápidos e eficientes.
No entanto, o mesmo não se pode dizer das tecnologias de memória RAM.
Embora estas também passem por constantes melhorias, não
conseguem acompanhar os processadores em termos de velocidade.
Assim sendo, de nada adianta ter um processador rápido se este
tem o seu desempenho comprometido por causa da "lentidão" da
memória.
Uma solução para esse problema seria equipar os computadores com um
tipo de memória muito mais rápida, a SRAM (Static RAM).
Estas se diferenciam das memórias convencionais DRAM (Dynamic
RAM) por serem muito rápidas, por outro lado, são muito
mais caras e não contam com o mesmo nível de miniaturização,
sendo, portanto, inviáveis. Apesar disso, a idéia não foi
totalmente descartada, pois foi adaptada para o que conhecemos como
memória cache.
A memória cache consiste em uma pequena quantidade de memória
SRAM embutida no processador. Quando este precisa ler dados na
memória RAM, um circuito especial chamado "controlador de
cache" transfere blocos de dados muito utilizados da RAM para a
memória cache. Assim, no próximo
acesso do processador, este consultará a memória cache, que é
bem mais rápida, permitindo o processamento de dados de maneira
mais eficiente. Se o dado estiver no cache, o processador a
utiliza, do contrário, irá buscá-lo na memória RAM, etapa essa
que é mais lenta. Dessa forma, a memória cache atua como um
intermediário, isto é, faz com que o processador nem sempre
necessite chegar à memória RAM para acessar os dados dos quais
necessita. O trabalho da memória cache é tão importante que,
sem ela, o desempenho de um processador pode ser seriamente
comprometido.
Os processadores trabalham, basicamente, com dois tipos de cache:
cache L1 (Level 1 - Nível 1) e cache L2 (Level 2
- Nível 2). Este último é ligeiramente maior em termos de
capacidade e passou a ser utilizado quando o cache L1 se
mostrou insuficiente. Antigamente, um tipo distinguia do outro
pelo fato da memória cache L1 estar localizada junto ao núcleo
do processador, enquanto que a cache L2 ficava localizada na
placa-mãe. Atualmente, ambos os tipos ficam localizados dentro
do chip do processador, sendo que, em muitos casos, a cache L1 é
dividida em duas partes: "L1 para dados" e "L1 para
instruções".
Vale ressaltar que, dependendo da arquitetura do processador, é
possível o surgimento de modelos que tenham um terceiro nível
de cache (L3). Mas, isso não é novidade: a AMD chegou a
ter um processador em 1999 chamado K6-III que contava com cache L1 e L2
internamente, algo incomum à época, já que naquele
tempo o cache L2 se localizava na placa-mãe. Com isso, esta última
acabou assumindo o papel de cache L3.
A foto abaixo mostra um processador AMD Athlon, com 64 KB de
cache L1 para instruções, 64 KB de cache L1 para dados e 512 KB
de cache L2. Note que a capacidade de cada tipo de cache varia
conforme o modelo do processador.


Processadores com dois ou mais núcleos

Há tempos que é possível encontrar no mercado placas-mãe
que contam com dois ou mais slots para processadores. A maioria
esmagadora dessas placas são usadas em computadores especiais,
como servidores e workstations, que são
utilizados em aplicações que exigem grandes recursos de
processamento. Para aplicações domésticas e de escritório, no
entanto, computadores com dois ou mais processadores são
inviáveis devido aos elevados custos que esses equipamentos
representam, razão pela qual é conveniente a esses nichos de
mercado contar com processadores cada vez mais rápidos.
Até um passado não muito distante, o usuário tinha noção
do quão rápido eram os processadores de acordo com a taxa de
seu clock interno. O problema é que, quando um determinado
valor de clock é alcançado, torna-se mais difícil desenvolver
outro chip com clock maior. Limitações físicas e tecnológicas
são os motivos para isso. Uma delas é a questão da temperatura:
quanto mais megahertz um processador tiver, mais calor ele
gerará.
Uma das formas encontradas pelos fabricantes para lidar com essa
limitação é fabricar e disponibilizar processadores com dois
núcleos (dual-core) ou mais (multi-core). Mas, o
que isso significa? Processadores desse tipo contam com dois ou
mais núcleos distintos no mesmo circuito integrado, como se
houvesse dois processadores dentro de um. Dessa forma, o
processador pode lidar com dois processos por vez, um para cada
núcleo, melhorando o desempenho do computador como um todo.
Note que, em um chip de único núcleo, o usuário pode ter a
impressão de que vários processos são executados
simultaneamente, já que a máquina está quase sempre executando
mais de uma aplicação ao mesmo tempo. Na verdade, o que
acontece é que o processador dedica determinados intervalos de
tempo a cada processo e isso ocorre de maneira tão rápida, que
se tem a impressão de processamento simultâneo.
Pelo menos teoricamente, é possível fabricar processadores
com dezenas de núcleos. No momento em que este artigo era escrito
no InfoWester, era possível encontrar processadores com 2, 3 e
4 núcleos (dual-core, triple-clore e quad-core,
respectivamente). É importante ressaltar que ter processadores
com dois ou mais núcleos não implica, necessariamente, em
computadores que são proporcionalmente mais rápidos. Uma
série de fatores influenciam nesse quesito, como as velocidades
limitadas das memórias e dos dispositivos de entrada e saída, e
as formas como os programas são desenvolvidos.
Na imagem abaixo, uma montagem que ilustra o interior de um
processador Intel Core 2 Extreme Quad-Core (com 4 núcleos):

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Finalizando


O processador é um componente de extrema complexidade, o que deixa
claro que o assunto pode ser estudado com muito mais profundidade.
No entanto, este artigo apresentou características básicas
que permitem ao leitor ter uma noção inicial de como esses
chips trabalham e o que significam parte dos tantos nomes que os
envolvem. Se você deseja entender o assunto de modo mais amplo,
é recomendável iniciar estudos na área de arquitetura de
computadores, que fornece conceitos que ajudam a entender o
funcionamento não só do processador, mas do computador como um
todo.
Na parte 2 deste artigo, você conhecerá alguns detalhes
da fabricação dos processadores e de seu encapsulamento, enfim,
saberá um pouco mais desses componentes "por dentro". Essa
matéria será publicada em breve aqui no InfoWester e na Art Cheats.
Até lá!