Arquitetura de computador é o projeto e organização dos principais componentes e sistemas de um computador. Isso inclui o processador, a memória, os dispositivos de entrada/saída e o software que os controla. Compreender a arquitetura do computador pode nos ajudar a avaliar como um computador funciona e executa diversas tarefas.
Um sistema de computador pode ser dividido em três componentes principais: a Unidade Central de Processamento (CPU), memória e dispositivos de entrada/saída (E/S). A CPU atua como o cérebro do computador, executando instruções de programas. A memória armazena essas instruções e dados temporariamente para acesso rápido, enquanto os dispositivos de E/S facilitam a interação entre o computador e o mundo exterior, como teclados, mouses, monitores e impressoras.
A CPU é o coração da arquitetura de um computador. É responsável por executar instruções de aplicativos de software, realizar cálculos e gerenciar o fluxo de dados dentro do computador. O desempenho de uma CPU depende da velocidade do clock, medida em Hertz (Hz), e do número de núcleos que ela contém. Uma velocidade de clock mais alta e mais núcleos geralmente significam um desempenho mais rápido e eficiente.
A memória em um computador é organizada em uma hierarquia para maior eficiência. No topo está o cache, um tipo de memória pequeno, mas rápido, que armazena cópias de dados acessados com frequência da memória principal (RAM). O acesso à RAM é mais rápido do que dispositivos de armazenamento como unidades de disco rígido (HDD) ou unidades de estado sólido (SSD), mas é volátil, o que significa que não retém dados quando a energia está desligada. HDDs e SSDs oferecem armazenamento não volátil, mantendo os dados mesmo quando o computador está desligado, mas são mais lentos para acessar do que a RAM.
Dispositivos de E/S permitem que um computador se comunique com o ambiente externo. Dispositivos de entrada, como teclados e mouses, permitem que os usuários forneçam informações ao computador. Dispositivos de saída, como monitores e impressoras, apresentam informações aos usuários. Alguns dispositivos, como unidades flash USB, podem servir ambas as funções. Os computadores modernos também incluem dispositivos de rede que permitem a conexão à Internet e a outros computadores.
A arquitetura Von Neumann é um conceito fundamental na ciência da computação. Descreve um sistema onde a CPU de um computador opera lendo suas instruções da memória. Esta arquitetura compreende quatro subsistemas principais: a unidade lógica aritmética (ALU), a unidade de controle, a memória e as interfaces de entrada/saída. A ALU realiza cálculos matemáticos e operações lógicas, enquanto a unidade de controle interpreta instruções da memória e dita a operação da ALU.
ISA é a parte da arquitetura do computador que é visível para o programador ou escritor do compilador. Ele serve como fronteira entre software e hardware, definindo o código de máquina que um processador pode executar. O ISA especifica as instruções, registros, tipos de dados, modos de endereçamento e arquitetura de memória da CPU. O fato de uma arquitetura ser RISC (Computação de Conjunto de Instruções Reduzidas) ou CISC (Computação de Conjunto de Instruções Complexas) influencia seu design e características de desempenho.
A computação paralela envolve dividir um problema em partes que podem ser resolvidas simultaneamente, utilizando vários elementos de processamento. Essa abordagem pode acelerar significativamente as tarefas de computação em comparação ao processamento serial. Processadores multi-core, que contêm dois ou mais núcleos (ou CPUs) independentes em um único pacote físico, são projetados para melhorar o desempenho por meio do paralelismo. Cada núcleo em um processador multinúcleo pode executar instruções simultaneamente, permitindo multitarefa eficiente e processamento de aplicativos complexos.
Em sistemas com múltiplas CPUs ou núcleos, a coerência do cache é crucial para garantir que uma alteração de dados em um cache seja imediatamente refletida em outros. Isto é importante em ambientes de multiprocessamento, onde vários processadores podem precisar de acesso aos mesmos locais de memória. Protocolos de coerência de cache, como MESI (Modificado, Exclusivo, Compartilhado, Inválido), são usados para manter a consistência entre caches em sistemas multinúcleo.
A arquitetura de computadores é um campo amplo que abrange o design, a funcionalidade e a eficiência de componentes e sistemas de computadores. A compreensão de seus principais conceitos, como operação da CPU, hierarquia de memória, dispositivos de E/S, arquitetura Von Neumann, ISA e processamento paralelo, pode fornecer informações valiosas sobre como os computadores processam informações e executam tarefas. À medida que a tecnologia avança, também aumenta a complexidade e as capacidades das arquiteturas de computadores, impulsionando a inovação no desempenho e nas aplicações computacionais.
