Um microprocessador moderno é algo extremamente complicado, e exigiu décadas de trabalho por milhares de pessoas para chegar onde está hoje. É quase impossível descrevê-lo de forma completa, mas eu vou tentar mesmo assim.
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Todo sistema moderno funciona com base em boas abstrações, ou seja, módulos mais simples em cima dos quais são construídas coisas mais complexas. Na minha opinião, o processador moderno pode ser dividido nas seguintes camadas amplas:
- dispositivos (transistores)
- circuitos
- portas lógicas
- blocos lógicos simples
Vamos começar em um “meio-termo”, algo que não é muito complicado de se entender, nem muito longe de um processador real: a porta lógica. Uma porta lógica recebe entradas (input), que são todos 0 ou 1, e terá uma saída (output) de um bit que também será 0 ou 1, de acordo com alguma regra. Por exemplo:
- uma porta AND dará o resultado 1 se todos os valores que você inserir forem 1;
- uma porta OR dará o resultado 1 sempre que alguma das entradas for 1;
- uma porta NOT retorna 1 se você insere 0, e vice-versa.
Mas o que 0 e 1 significam? Bem, o valor pode corresponder a um nível de tensão (0 é 0V, 1 é 1V), um pulso elétrico (0 é ausência de pulsos, 1 é um pulso de 1V por 1 nanossegundo), um fóton (0 é ausência de fótons, 1 são mil fótons) e assim por diante, tudo dependendo de como o circuito foi concebido. Este é o poder de abstração: você não precisa saber o que 0 e 1 significam para usar esse conceito.
Um mais um
E essas coisas simples permitem fazer algo real. Suponha que você está prestes a iniciar sua própria empresa de processadores, e quer fazer um circuito simples que soma dois números.
Primeiro, você precisa representar números decimais em base binária, que usa apenas os dígitos 0 e 1. Ou seja, você precisa convertê-los de 0, 1, 2, 3, 4… para 0, 1, 10, 11, 100… Qualquer número pode ser representado desta forma.
Agora, vamos passar para o somador. Antes de tudo, precisamos construir um “meio somador” (half adder), que pega dois bits e os adiciona, produzindo uma saída de dois bits. Assim, se os dois bits são ambos 0, a saída é 00; se apenas um deles for 1, a saída é 01; e se ambos forem 1, a saída é 10.
Esses resultados têm dois bits. Perceba que o primeiro bit é 1 somente se ambos os bits de entrada forem 1. Ou seja, isso pode ser representado por uma porta AND, como mencionamos acima. Ótimo! Fizemos a metade do nosso trabalho; agora só falta o segundo bit.
Este parece mais difícil: é quase como uma porta OR, que explicamos acima, mas não é a mesma coisa. OK, não vamos mais pensar sobre isso: vamos simplesmente decidir que este é um novo tipo de porta – a porta XOR (eXclusive OR).
Não se preocupe, nós vamos contratar alguns engenheiros de circuito bem impressionantes que sabem projetar essa porta. Agora vamos desenhar uma imagem do meio somador, o nosso novo circuito:
