Como os Processadores Funcionam

Clock

Afinal, o que vem a ser clock? Clock é um sinal usado para sincronizar coisas dentro do computador. Dê uma olhada na Figura 2, onde mostramos um típico sinal de clock: é uma onda quadrada passando de “0” a “1” a uma taxa fixa. Nessa figura você pode ver três ciclos de clock (“pulsos”) completos. O início de cada ciclo é quando o sinal de clock passa de “0” a “1”; nós marcamos isso com uma seta. O sinal de clock é medido em uma unidade chamada Hertz (Hz), que é o número de ciclos de clock por segundo. Um clock de 100 MHz significa que em um segundo existem 100 milhões de ciclos de clock.

Figura 2: Sinal de clock.

No computador, todas as medidas de tempo são feitas em termos de ciclos de clock. Por exemplo, uma memória RAM com latência “5” significa que vai levar cinco ciclos de clock completos para começar a transferência de dados. Dentro da CPU, todas as instruções precisam de um certo número de ciclos de clock para serem executadas. Por exemplo, uma determinada instrução pode levar sete ciclos de clock para ser completamente executada.

No que diz respeito ao processador, o interessante é que ele sabe quantos ciclos de clock cada instrução vai demorar, porque ele tem uma tabela que lista essas informações. Então se há duas instruções para serem executadas e ele sabe que a primeira vai levar sete ciclos de clock para ser executada, ele vai automaticamente começar a execução da próxima instrução no 8o pulso de clock. É claro que esta é uma explicação genérica para um processador com apenas uma unidade de execução – processadores modernos possuem várias unidades de execução trabalhando em paralelo e podem executar a segunda instrução ao mesmo tempo em que a primeira, em paralelo. A isso chamamos arquitetura superescalar e falaremos mais a esse respeito mais tarde.

Então o que o clock tem a ver com desempenho? Pensar que clock e desempenho são a mesma coisa é o erro mais comum acerca de processadores.

Se você comparar dois processadores completamente idênticos, o que estiver rodando a uma taxa de clock mais alta será o mais rápido. Neste caso, com uma taxa de clock mais alta, o tempo entre cada ciclo de clock será menor, então as tarefas serão desempenhadas em menos tempo e o desempenho será mais alto. Mas quando você compara dois processadores diferentes, isso não é necessariamente verdadeiro.

Se você pegar dois processadores com diferentes arquiteturas – por exemplo, de dois fabricantes diferentes, como Intel e AMD – o interior deles será completamente diferente.

Como dissemos, cada instrução demora um certo número de ciclos de clock para ser executada. Digamos que o processador “A” demore sete ciclos de clock para executar uma determinada instrução, e que o processador “B” leve cinco ciclos de clock para executar essa mesma instrução. Se eles estiverem rodando com a mesma taxa de clock, o processador “B” será mais rápido, porque pode processar essa instrução em menos tempo.

E há ainda muito mais no jogo do desempenho em processadores modernos, pois processadores têm quantidades diferentes de unidades de execução, tamanhos de cache diferentes, formas diferentes de transferência de dados dentro do processador, formas diferentes de processar instruções dentro das unidades de execução, diferentes taxas de clock com o mundo exterior, etc. Não se preocupe, pois nós falaremos sobre tudo isso neste tutorial.

Como o sinal de clock do processador ficou muito alto, surgiu um problema. A placa-mãe onde o processador é instalado não podia funcionar usando o mesmo sinal de clock.Se você olhar para uma placa-mãe, verá várias trilhas ou caminhos. Essas trilhas são fios que conectam vários circuitos do computador. O problema é que, com taxas de clock mais altas, esses fios começaram a funcionar como antenas, por isso o sinal, em vez de chegar à outra extremidade do fio, simplesmente desaparecia, sendo transmitido como onda de rádio.

Figura 3: Os fios na placa-mãe podem funcionar como antenas.