Capítulo 3 — Arquitetura e Organização de Processadores¶

Neste capítulo você vai estudar a distinção entre arquitetura e organização de computadores, o aprofundamento da arquitetura de von Neumann introduzida no Capítulo 1, os dois grandes paradigmas de projeto de processadores — CISC e RISC —, a evolução da família x86/x64, as famílias ARM e AVR como exemplos de RISC, e uma revisão integrada de conceitos de firmware e diagnóstico que perpassam todo o livro.

3.1 Arquitetura versus organização de computadores¶

Os termos arquitetura de computadores e organização de computadores são, com frequência, usados como sinônimos — inclusive na literatura técnica e no vocabulário do mercado de tecnologia. Este livro, seguindo a distinção adotada por autores como Stallings [1], trata os dois termos como conceitos tecnicamente distintos.

Arquitetura é o conjunto de instruções que um processador disponibiliza para quem programa nesse processador. Esse conjunto de instruções é chamado, em inglês, de Instruction Set Architecture (ISA) — arquitetura do conjunto de instruções. A arquitetura define o que um processador é capaz de executar: quais operações existem, como os dados são endereçados, quais registradores estão disponíveis.

Organização é a implementação em hardware de uma dada arquitetura: as escolhas de projeto que determinam quantos núcleos um processador tem, qual a quantidade de memória cache, qual a frequência de operação, quanto de memória RAM ou de armazenamento um computador possui. Duas máquinas podem compartilhar a mesma arquitetura — o mesmo conjunto de instruções — e, ainda assim, ter organizações completamente diferentes.

Exemplo. Um processador Intel Core i3, um Core i5 e um Core i7 de uma mesma geração compartilham a mesma arquitetura x86/x64: executam exatamente o mesmo conjunto de instruções e, portanto, os mesmos programas. O que os diferencia — quantidade de núcleos, tamanho de cache, frequência de clock, consumo energético — são decisões de organização. O mesmo raciocínio se aplica a um smartphone vendido em versões 4G e 5G, ou a um mesmo modelo de notebook oferecido com capacidades diferentes de SSD: a arquitetura do processador permanece idêntica; o que muda é a organização do hardware ao redor dele.

Essa distinção também explica por que o nome da disciplina que dá origem a este livro é organização e montagem de computadores: ao longo dos capítulos anteriores, o que foi estudado — processador, memória principal, memória secundária, placa-mãe e demais componentes — são, tecnicamente falando, decisões de organização, e não de arquitetura. Arquitetura é assunto do programador de baixo nível e do fabricante do processador; organização é assunto de quem monta, especifica e mantém computadores.

Nota de uso. No vocabulário de mercado — sites de notícias de tecnologia, materiais de fabricantes, embalagens de produto —, o termo "arquitetura" costuma ser aplicado de forma ampla, cobrindo também mudanças que, tecnicamente, são de organização (por exemplo, uma nova geração de processador com mais núcleos e cache é frequentemente anunciada como "nova arquitetura"). O leitor deve estar preparado para essa imprecisão terminológica ao consultar fontes não acadêmicas.

Figura pendente

comparativo de anúncios de processadores i3/i5/i7 de mesma geração, com núcleos e cache destacados

3.2 A arquitetura de von Neumann: instrução e dado são a mesma coisa¶

O Capítulo 2 (§2.6) formalizou a arquitetura de von Neumann e suas quatro unidades funcionais. Esta seção não repete essa formalização — explora, em vez disso, uma consequência dela que é central para entender a distinção entre arquitetura e organização apresentada na Seção 3.1.

Essa consequência raramente é percebida por quem está começando a estudar computação: o processador não distingue, por natureza, uma instrução de um dado, nem atribui significado ao que está processando. O processador é uma máquina que executa instruções mecanicamente, manipulando padrões binários e produzindo uma saída — sem qualquer noção do propósito daquela operação.

Exemplo. Do ponto de vista do processador, é absolutamente indiferente se a sequência de instruções que ele executa está calculando a nota final de um aluno ou controlando a fervura de um doce: ele apenas manipula dados e gera uma saída. Quem atribui sentido a essa saída — quem decide se o resultado representa uma média escolar ou uma receita culinária — é o software, não o hardware. O processador, isoladamente, "não sabe o que está fazendo": ele apenas executa.

Essa característica é o que torna a arquitetura de von Neumann ao mesmo tempo poderosa e genérica: como instruções são armazenadas e tratadas como qualquer outro dado na memória, o mesmo hardware pode executar qualquer programa que respeite o seu conjunto de instruções (a arquitetura, na definição da Seção 3.1) — sem que o hardware precise ser fisicamente alterado a cada novo problema. Esse é o mesmo critério que, no Capítulo 1, distinguiu a máquina de Turing de propósito geral de uma calculadora de operação fixa.

Figura pendente

diagrama simplificado da arquitetura de von Neumann — processador, memória (instruções e dados), barramento, entrada/saída

3.3 CISC: retrocompatibilidade e a família x86/x64¶

Em 1981, a IBM lançou o IBM PC utilizando o processador Intel 8088, derivado do 8086 — um chip de 16 bits projetado como sucessor do 8080 para competir com os processadores de 16/32 bits da Zilog e da Motorola, escolhido pela IBM por seu baixo custo [2] (o Capítulo 1 apresenta o 8088 como variante de custo reduzido do 8086; a origem em calculadoras mencionada naquele capítulo se refere a chips anteriores da família Intel — o 4004 e o 8008 —, não ao 8086/8088). O sucesso comercial desse computador consolidou o conjunto de instruções do 8086 como padrão de mercado, e toda a evolução subsequente da família de processadores da Intel — e, mais tarde, da AMD — preservou esse conjunto de instruções original, apenas adicionando novas instruções a cada geração.

Esse comportamento decorre de uma exigência implícita do mercado de software: um fabricante que investiu no desenvolvimento de um programa para um determinado processador espera que esse programa continue funcionando — de preferência com desempenho melhor — nos processadores lançados posteriormente. A esse requisito dá-se o nome de retrocompatibilidade: a capacidade de um sistema mais novo executar, sem modificação, programas feitos para um sistema mais antigo da mesma família.

A tabela a seguir situa os principais marcos da evolução da família x86:

Processador	Observação
8086	16 bits; sucessor do 8080, projetado para competir com Zilog Z8000 e Motorola 68000; base do computador que a IBM adotou
8088	Versão de barramento externo simplificado do 8086, usada no IBM PC original (1981)
80286	Segunda geração da família; retrocompatível com o 8086
80386	Lançado em 1985 `[3]`; primeira geração de 32 bits da família, retrocompatível até o 8086
80486	Evolução do 386 com memória cache integrada ao processador
Pentium	Sucessor do 486; a Intel abandonou a numeração "586" e passou a usar um nome comercial `[4]`
Pentium II / III	Gerações seguintes da linha Pentium
Core 2 Duo	Geração seguinte, já multinúcleo
Core i3 / i5 / i7	Segmentação por faixa de desempenho, mantendo a mesma arquitetura x86/x64
Core Ultra / Core 5, 7, 9	Nomenclatura adotada a partir de 2023 (geração Meteor Lake), substituindo i3/i5/i7 após décadas de uso `[5]`

Cada geração dessa família mantém, como subconjunto, o conjunto de instruções de todas as gerações anteriores — o que pode ser representado como um diagrama de Venn de círculos concêntricos, em que as instruções do 8086 estão contidas nas do 286, que estão contidas nas do 386, e assim sucessivamente.

Ao conjunto de processadores que evoluem dessa forma — acumulando instruções ao longo do tempo, sem nunca descartar as anteriores — dá-se o nome de arquitetura CISC (Complex Instruction Set Computer, computador com conjunto de instruções complexo). O ponto forte dessa filosofia é justamente a retrocompatibilidade. Quanto ao consumo energético, um estudo de referência que mediu processadores ARM e x86 reais concluiu que as diferenças de consumo observadas na prática vêm principalmente de escolhas de microarquitetura e do ponto de projeto desempenho/eficiência (processadores ARM historicamente otimizados para baixo consumo; x86 para alto desempenho) — não do fato de o conjunto de instruções ser CISC ou RISC em si [6]. O que de fato é uma consequência direta do paradigma CISC é o acúmulo constante de complexidade no hardware ao longo de décadas de evolução — o que exige mais lógica de decodificação e microcódigo, ainda que o efeito disso sobre o consumo energético seja mais modesto do que costuma ser popularmente descrito.

Figura pendente

diagrama de Venn com círculos concêntricos representando 8086 ⊂ 286 ⊂ 386 ⊂ 486 ⊂ Pentium ⊂ Core

3.4 Endereçamento e a barreira dos 32 bits¶

A quantidade de bits que um processador utiliza para endereçar a memória determina diretamente a quantidade máxima de memória RAM que esse processador é capaz de acessar.

Um processador de arquitetura de 32 bits consegue endereçar, no máximo, cerca de 4 GB de memória RAM. Essa é uma limitação estrutural da arquitetura, não da quantidade de memória fisicamente instalada na placa-mãe.

Exemplo. É possível instalar 8 GB de memória RAM em um computador equipado com um sistema operacional de 32 bits; entretanto, esse sistema só conseguirá endereçar e utilizar até 4 GB — o restante permanece inacessível, por ausência de endereços suficientes para representá-lo. Esse foi historicamente um problema real de suporte técnico: computadores com memória fisicamente instalada, mas parcialmente inutilizável, por limitação da arquitetura do sistema operacional instalado, não do processador.

A superação dessa barreira motivou a extensão da arquitetura x86 para 64 bits. Em vez de propor uma arquitetura inteiramente nova, a AMD estendeu a arquitetura x86 de 32 bits existente, preservando toda a sua retrocompatibilidade e adicionando um modo de operação de 64 bits — resultando na arquitetura AMD64, posteriormente adotada por toda a indústria (incluindo a Intel, que tinha à época uma arquitetura de 64 bits concorrente e incompatível, a Itanium/IA-64, e só adotou a extensão da AMD em 2004, sob o nome "Intel 64") sob a denominação genérica x64 [7].

Uma consequência prática dessa relação de subconjunto (x86 ⊂ x64) diz respeito à compatibilidade de software: um sistema operacional de 64 bits é capaz de executar tanto programas de 64 bits quanto programas de 32 bits, por manter a retrocompatibilidade; já um sistema operacional de 32 bits não é capaz de executar programas de 64 bits, por não reconhecer as instruções e os endereços estendidos dessa arquitetura mais recente.

Figura pendente

comparação de páginas de download de um mesmo programa, mostrando as versões disponíveis para x86, x64 e ARM

3.5 RISC: o paradigma da simplicidade¶

Em contraposição à filosofia CISC, existe uma segunda abordagem de projeto de processadores, baseada na premissa oposta: construir um processador cujo conjunto de instruções seja o mais simples e reduzido possível. A essa família dá-se o nome de RISC (Reduced Instruction Set Computer, computador com conjunto de instruções reduzido).

O ponto forte do RISC, em comparação ao CISC, é a simplicidade do hardware de decodificação. É comum associar essa simplicidade a um menor consumo energético — e, na prática, processadores RISC (como os da família ARM) costumam ser mais eficientes energeticamente do que processadores CISC (x86/x64) — mas a pesquisa específica sobre o tema mostra que essa diferença vem majoritariamente de escolhas de microarquitetura e do mercado-alvo de cada família (ARM historicamente otimizada para dispositivos móveis; x86/x64 para desempenho bruto), não de uma propriedade intrínseca do conjunto de instruções em si [6]. A contrapartida real e direta da simplicidade do conjunto de instruções é que instruções complexas, que num processador CISC seriam executadas diretamente em hardware, precisam ser decompostas em uma sequência de instruções mais simples — transferindo parte da complexidade do hardware para o software (compiladores e demais camadas de programação).

Exemplo. A instrução "5 × 3" pode ser implementada de duas formas distintas. Em um processador com uma instrução de multiplicação dedicada em hardware, essa operação é resolvida diretamente. Em um processador cujo conjunto de instruções contém apenas soma, a mesma operação é obtida por meio de somas sucessivas (5 + 5 + 5), decompostas pelo compilador antes da execução. O resultado final é idêntico; o caminho até ele é que muda — e é essa diferença de caminho que distingue, na prática, um processador CISC de um processador RISC.

A principal família comercial de processadores RISC de propósito geral é a ARM, presente em smartphones, no Raspberry Pi e, desde 2020, também em notebooks (como os MacBooks equipados com chips da série M — M1, M2, M3, M4, M5, lançados a partir de novembro de 2020) e em processadores da linha Snapdragon [8].

Uma segunda família RISC, voltada não para computação de propósito geral, mas para microcontroladores embarcados, é a AVR, presente em chips como o ATmega328 (usado nas placas Arduino Uno) e nos microcontroladores PIC.

Diferentemente da relação entre x86 e x64 (em que uma arquitetura está contida na outra), ARM e AVR não compartilham conjuntos de instruções entre si: são duas famílias RISC distintas, sem relação de subconjunto uma com a outra, cada uma otimizada para um tipo de aplicação diferente.

Exemplo. Um semáforo de trânsito exige um hardware de controle que permaneça ligado ininterruptamente, com baixíssimo consumo energético e alta confiabilidade, mas sem necessidade de grande poder de processamento — um cenário típico de aplicação para microcontroladores AVR. Um notebook usado para tarefas de escritório e navegação em rede, por outro lado, demanda maior poder computacional e tipicamente adota arquiteturas x86/x64 ou ARM, conforme o caso de uso.

Figura pendente

fotos comparativas de um chip Cortex-A (Raspberry Pi), um Snapdragon (smartphone) e um ATmega328 (Arduino Uno)

3.6 Comparação entre paradigmas de arquitetura¶

A tabela a seguir resume as principais diferenças entre os paradigmas CISC e RISC:

Característica	CISC	RISC
Conjunto de instruções	Extenso e complexo, acumulado ao longo de décadas	Reduzido e simplificado, por projeto
Consumo energético	Historicamente mais alto (efeito majoritariamente de microarquitetura, não da ISA em si `[6]`)	Historicamente mais baixo (idem)
Retrocompatibilidade	Ponto forte histórico (ex.: x86/x64)	Não é o foco de projeto
Onde reside a complexidade	No hardware	Transferida para o software/compilador
Exemplos de arquitetura	x86, x64	ARM, AVR
Aplicações típicas	Desktops, notebooks, servidores tradicionais	Smartphones, computação móvel, automação embarcada

Arquitetura (o paradigma de projeto) e implementação específica não devem ser confundidas: nem todo processador CISC pertence à família x86/x64, e nem todo processador RISC pertence à família ARM. A relação correta é de classe e subclasse.

CISC e RISC são, portanto, paradigmas — formas distintas de resolver o mesmo problema geral (processar instruções), da mesma maneira que bicicleta, carro e ônibus são meios de transporte que resolvem o mesmo problema (deslocamento) seguindo lógicas de projeto totalmente diferentes, cada uma adequada a um conjunto de circunstâncias.

3.7 Tendências de mercado: computação de borda e migração para ARM¶

A distinção entre arquitetura e organização (Seção 3.1) também explica decisões recentes de mercado. Um exemplo é a diferenciação entre versões "Pro" e "não Pro" de um mesmo smartphone: ambas podem compartilhar a mesma arquitetura de processador, mas a versão "Pro" pode incluir uma NPU (ver Capítulo 1, Seção 1.10.5) mais capaz, permitindo que tarefas de inteligência artificial — como transcrição e tradução simultânea de voz — sejam processadas localmente no aparelho, sem depender de um servidor remoto. Essa diferenciação é uma decisão de organização, não de arquitetura: o processamento no dispositivo (computação de borda, ou edge computing) versus o processamento na nuvem é uma escolha de hardware e de projeto de produto, não uma mudança no conjunto de instruções do processador.

A adoção da arquitetura ARM tem se expandido para além de dispositivos móveis. O projeto Asahi Linux, em desenvolvimento desde o início da década de 2020, busca portar o sistema operacional Linux para funcionar de forma plena nos chips ARM da série M da Apple, originalmente destinados exclusivamente ao macOS [9].

Figura pendente

captura de tela de um site de hospedagem em nuvem mostrando opções de servidor com processador ARM ao lado de opções x86/x64

Síntese do capítulo¶

Este capítulo formalizou a distinção entre arquitetura (o conjunto de instruções de um processador) e organização (sua implementação em hardware), aprofundou a arquitetura de von Neumann introduzida no Capítulo 1, e apresentou os dois grandes paradigmas de projeto de processadores — CISC, representado pela família x86/x64, e RISC, representado pelas famílias ARM e AVR — situando-os no contexto de tendências atuais de mercado, como a computação de borda e a possível migração de servidores para arquitetura ARM.

O princípio de modularidade apresentado no Capítulo 1 — a ideia de que um computador é um conjunto de módulos substituíveis, e de que o diagnóstico técnico consiste em isolar qual módulo é responsável por uma falha — permanece como o fio condutor de toda a disciplina. Com a arquitetura do conjunto de instruções formalizada, o Capítulo 4 fecha o bloco "processador" (Capítulos 2–4) tratando da organização interna de um processador real e de sua evolução — Lei de Moore, calor, multicore — antes de o livro seguir para a memória, o sistema operacional, o hardware físico e a eletricidade que sustentam fisicamente tudo o que foi estudado até aqui. O Capítulo 13, mais adiante, retoma esses mesmos atributos sob a metodologia concreta de benchmark.

Referências¶

STALLINGS, William. Arquitetura e Organização de Computadores. 10. ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2018, seção 1.1 "Organização e Arquitetura".
WIKIPEDIA. "Intel 8086." Disponível em: https://en.wikipedia.org/wiki/Intel_8086; "Intel 4004." Disponível em: https://en.wikipedia.org/wiki/Intel_4004; "Intel 8008." Disponível em: https://en.wikipedia.org/wiki/Intel_8008.
STALLINGS, William. Arquitetura e Organização de Computadores. 10. ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2018.
TEDIUM. "Why Intel Couldn't Trademark Numbers Anymore." Disponível em: https://tedium.co/2017/05/18/intel-386-486-trademark-battles/.
TECHPOWERUP. "Intel Confirms 'Core i-' Getting Replaced by 'Core Ultra' For Upcoming Meteor Lake Processors." Disponível em: https://www.techpowerup.com/308061/; ENGADGET. "Intel drops 'i' processor branding after 15 years, introduces 'Ultra' for higher-end chips." Disponível em: https://www.engadget.com/intel-drops-i-processor-branding-after-15-years-introduces-ultra-for-higher-end-chips-130100277.html.
BLEM, Emily; MENON, Jaikrishnan; SANKARALINGAM, Karthikeyan. "Power Struggles: Revisiting the RISC vs. CISC Debate on Contemporary ARM and x86 Architectures." HPCA 2013. Disponível em: https://research.cs.wisc.edu/vertical/papers/2013/hpca13-isa-power-struggles.pdf.
WIKIPEDIA. "x86-64." Disponível em: https://en.wikipedia.org/wiki/X86-64.
Data de lançamento dos MacBooks com chip Apple M1 (novembro de 2020): Apple Newsroom (anúncio oficial); para o histórico mais amplo de tentativas anteriores de notebooks ARM, ver retrospectivas de imprensa especializada (Windows Central, How-To Geek) — link exato a confirmar pelo autor.
ASAHI LINUX. Página "About" do projeto. Disponível em: https://asahilinux.org/about/.