O que uma CPU faz

Um processador de 3 GHz pulsa 3 bilhões de vezes por segundo, um pulso a cada terço de nanossegundo.

Imagine uma aula de informática. (Esta é uma cena inventada.) Dezesseis caixas numeradas estão desenhadas no quadro, cada uma com oito bits escritos dentro. Três alunos fazem o papel da CPU. Um segura um cartão marcado PC, outro um cartão marcado IR, outro um cartão marcado ACC. O cartão PC diz 0. O aluno do IR vai até a caixa 0 e copia o que está lá, 0001 1110, e o aluno do PC muda o cartão para 1. A turma procura os quatro primeiros bits numa tabela na parede: 0001 quer dizer LOAD. Os quatro últimos, 1110, são 14. Então a aluna do ACC vai até a caixa 14 e copia o 7 que encontra lá. Depois tudo recomeça a partir da caixa 1.

A caixa 1 diz ADD 15, então o ACC vira 7 + 5 = 12. A caixa 2 diz STORE 13, e a aluna do ACC escreve 12 na caixa 13. A caixa 3 diz HALT, e todos se sentam. Doze movimentos ao todo. Nenhum dos três precisou saber que o programa “soma 7 e 5”. Cada um seguiu uma regrinha. As caixas são a memória, os cartões são registradores e a tabela na parede é o decodificador. Uma CPU real funciona do mesmo jeito, bilhões de vezes por segundo, e ninguém lá dentro entende o programa também.

O mesmo laço curto, bilhões de vezes por segundo

As portas sabem somar, comparar e escolher, mas alguma coisa precisa dizer a elas o que fazer, em que ordem e com quais números. Esse é o trabalho da unidade central de processamento, a CPU. Ela repete um laço curto. O contador de programa (PC) guarda o endereço da próxima instrução. Busca: a CPU lê a célula para a qual o PC aponta e a coloca no registrador de instrução (IR), e avança o PC em um. Decodificação: circuitos de controle olham os bits do opcode e preparam os caminhos certos, por exemplo ligando o somador para ADD. Execução: o trabalho é feito. Um número é carregado, somado ou guardado, ou o PC é alterado para que o programa salte para outro lugar. Então o laço recomeça. Uma instrução, JZ, salta só quando o acumulador é zero, e esse único tipo de salto é o que permite a um programa decidir e repetir.

A cena roda o mesmo programa que a turma encenou. Aperte Passo e PC, IR e ACC mudam exatamente como os cartões mudaram: LOAD 14, depois ADD 15, STORE 13 e HALT, quatro instruções de três fases cada, doze fases ao todo. O programa de multiplicação usa as mesmas poucas instruções, mas seus JZ e JUMP mandam o PC de volta para 0 duas vezes antes que o contador na célula 15 chegue a zero, então ele roda 24 instruções em 72 fases. Seis vezes as instruções da soma.

O programa fica na mesma memória que os números

No quadro, as instruções e os números 7 e 5 estavam na mesma fileira de caixas. Isso não é por acaso. Em junho de 1945, John von Neumann escreveu o “First Draft of a Report on the EDVAC” (Primeiro rascunho de um relatório sobre o EDVAC), descrevendo um computador que guarda suas instruções na mesma memória que seus dados, e quase todos os computadores desde então funcionam assim. Uma instrução é só um número cujos bits são divididos em campos. Neste computador de brinquedo, cada célula guarda 8 bits. Os quatro primeiros dizem o que fazer, o opcode, e os quatro últimos dizem qual célula usar, o endereço. 0001 é LOAD, então 0001 1110 quer dizer “LOAD 14”: copie o número da célula 14 para o acumulador, o registrador de trabalho da CPU.

Com que velocidade o laço roda

Os passos seguem o ritmo de um sinal de clock, uma tensão que liga e desliga num ritmo constante. Um clock de 3 GHz pulsa 3 000 000 000 de vezes por segundo, então um pulso dura 1 ÷ 3 000 000 000 de segundo, cerca de 0.333 nanossegundo. A luz percorre só uns 10 centímetros nesse tempo. A uma fase por pulso, são pulsos suficientes para rodar o programa 7 + 5 do brinquedo 250 milhões de vezes por segundo. Processadores reais não terminam uma instrução inteira por pulso do jeito simples do nosso brinquedo. Eles sobrepõem as fases de várias instruções como numa linha de montagem, o que se chama pipeline, e os chips de hoje têm vários processadores completos, chamados núcleos, lado a lado. O brinquedo não tem nada disso, e é justamente por isso que dá para acompanhá-lo à mão.