O que é uma CPU e o que ela faz?

A parte mais importante do seu computador, se você tivesse que escolher apenas uma, seria a unidade central de processamento (CPU). É o hub principal (ou “cérebro”) e processa as instruções que vêm de programas, do sistema operacional ou de outros componentes em seu PC.

1 e 0

Graças a CPUs mais poderosas, deixamos de poder exibir uma imagem na tela do computador para o Netflix, bate-papo por vídeo, streaming e videogames cada vez mais realistas.

A CPU é uma maravilha da engenharia, mas, em sua essência, ainda depende do conceito básico de interpretar sinais binários (1’s e 0’s). A diferença agora é que, em vez de ler cartões perfurados ou instruções de processamento com conjuntos de tubos de vácuo, as CPUs modernas usam minúsculos transistores para criar vídeos do TikTok ou preencher números em uma planilha.

O básico da CPU

A fabricação de CPU é complicada. O ponto importante é que cada CPU possui silício (uma peça ou várias) que abriga bilhões de transistores microscópicos.

Como mencionamos anteriormente, esses transistores usam uma série de sinais elétricos (corrente “ligada” e corrente “desligada”) para representar o código binário da máquina, composto de 1’s e 0’s. Como existem muitos desses transistores, as CPUs podem realizar tarefas cada vez mais complexas em velocidades maiores do que antes.

A contagem de transistores não significa necessariamente que uma CPU será mais rápida. No entanto, ainda é uma razão fundamental para o telefone que você carrega no bolso ter muito mais poder de computação do que, talvez, todo o planeta tinha quando primeiro fomos à lua.

Antes de avançarmos na escada conceitual de CPUs, vamos falar sobre como uma CPU executa instruções baseadas em código de máquina, chamado de “conjunto de instruções”. CPUs de empresas diferentes podem ter conjuntos de instruções diferentes, mas nem sempre.

A maioria dos PCs Windows e processadores Mac atuais, por exemplo, usam o conjunto de instruções x86-64, independentemente de serem uma CPU Intel ou AMD. Os Macs lançados no final de 2020, no entanto, terão CPUs baseadas em ARM, que usam um conjunto de instruções diferente. Há também um pequeno número de PCs com Windows 10 usando processadores ARM.

Núcleos, caches e gráficos

Agora, vamos olhar para o próprio silício. O diagrama acima é de um white paper da Intel publicado em 2014 sobre a arquitetura de CPU da empresa para o Core i7-4770S. Este é apenas um exemplo da aparência de um processador – outros processadores têm layouts diferentes.

Podemos ver que este é um processador de quatro núcleos. Houve um tempo em que uma CPU tinha apenas um único núcleo. Agora que temos vários núcleos, eles processam instruções muito mais rapidamente. Os núcleos também podem ter algo chamado hyper-threading ou multi-threading simultâneo (SMT), o que faz com que um núcleo pareça dois para o PC. Isso, como você pode imaginar, ajuda a acelerar ainda mais os tempos de processamento.

Os núcleos neste diagrama estão compartilhando algo chamado cache L3. Esta é uma forma de memória integrada dentro da CPU. As CPUs também possuem caches L1 e L2 contidos em cada núcleo, bem como registradores, que são uma forma de memória de baixo nível. Se você quiser entender as diferenças entre registradores, caches e RAM do sistema, confira esta resposta no StackExchange.

A CPU mostrada acima também contém o agente do sistema, controlador de memória e outras partes do silício que gerenciam as informações que entram e saem da CPU.

Por fim, há os gráficos integrados do processador, que geram todos aqueles maravilhosos elementos visuais que você vê na tela. Nem todas as CPUs contêm seus próprios recursos gráficos. As CPUs de desktop AMD Zen, por exemplo, exigem uma placa gráfica discreta para exibir qualquer coisa na tela. Algumas CPUs de desktop Intel Core também não incluem gráficos integrados.

A CPU na placa-mãe

Agora que vimos o que está acontecendo sob o capô de uma CPU, vamos ver como ela se integra ao resto do seu PC. A CPU fica no que é chamado de soquete na placa-mãe do seu PC.

Uma vez encaixado no soquete, outras partes do computador podem se conectar à CPU por meio de algo chamado “barramento”. A RAM, por exemplo, conecta-se à CPU por meio de seu próprio barramento, enquanto muitos componentes do PC usam um tipo específico de barramento, chamado “PCIe”.

Cada CPU tem um conjunto de “pistas PCIe” que pode usar. As CPUs Zen 2 da AMD, por exemplo, possuem 24 pistas que se conectam diretamente à CPU. Essas pistas são então divididas pelos fabricantes de placas-mãe com orientação da AMD.

Por exemplo, 16 pistas são normalmente usadas para um slot de placa gráfica x16. Depois, há quatro pistas para armazenamento, como um dispositivo de armazenamento rápido, como um SSD M.2. Alternativamente, essas quatro faixas também podem ser divididas. Duas pistas podem ser usadas para o SSD M.2 e duas para uma unidade SATA mais lenta, como um disco rígido ou SSD de 2,5 polegadas.

São 20 pistas, com as outras quatro reservadas para o chipset, que é o centro de comunicações e controlador de tráfego da placa-mãe. O chipset tem então seu próprio conjunto de conexões de barramento, permitindo que ainda mais componentes sejam adicionados a um PC. Como você pode esperar, os componentes de alto desempenho têm uma conexão mais direta com a CPU.

Como você pode ver, a CPU faz a maior parte do processamento de instruções e, às vezes, até os gráficos funcionam (se for construído para isso). A CPU não é a única maneira de processar instruções, no entanto. Outros componentes, como a placa gráfica, possuem seus próprios recursos de processamento integrados. A GPU também usa seus próprios recursos de processamento para trabalhar com a CPU e executar jogos ou realizar outras tarefas com uso intenso de gráficos.

A grande diferença é que os processadores de componentes são construídos com tarefas específicas em mente. A CPU, no entanto, é um dispositivo de uso geral capaz de realizar qualquer tarefa de computação solicitada. É por isso que a CPU reina suprema dentro do seu PC, e o resto do sistema depende dela para funcionar.