Oqueécomputação

O ENIAC, construído entre 1943 e 1945 na Universidade da Pensilvânia para calcular tabelas de trajetória de artilharia em tempo de guerra, foi o primeiro computador em grande escala capaz de funcionar em velocidade eletrônica, sem partes mecânicas para desacelerá-lo. Pelos padrões de tudo que veio antes dele, era extraordinário. Pelo padrão que este capítulo está prestes a apresentar, ainda faltava algo fundamental.

O ENIAC não tinha como armazenar um programa na memória. Para fazê-lo resolver um problema diferente, técnicos o reconfiguravam fisicamente, conectando cabos de ligação entre componentes e ajustando à mão centenas de interruptores, um arranjo físico específico por cálculo. O próprio relato do Computer History Museum sobre a máquina é direto quanto ao custo disso: “Projetar a configuração correta para cada novo problema, e depois conectar os fios e ajustar os interruptores, levava muitos dias.”

Leia essa frase com atenção, porque ela é o capítulo inteiro numa linha só. Mudar o que o ENIAC calculava não era uma decisão de software tomada em minutos, era um projeto físico de recableamento medido em dias, realizado por pessoas que tinham que pensar todo o cálculo como um diagrama de fiação literal antes de tocar num único cabo.

Computer History Museum, ENIAC, https://www.computerhistory.org/revolution/birth-of-the-computer/4/78.

A solução que tornou obsoleta a reprogramação ao estilo ENIAC se chama conceito de programa armazenado: em vez de representar um programa como um arranjo físico de fios, representá-lo como dados (o mesmo tipo de dados binários que a máquina já armazena e manipula) e manter esses dados na própria memória do computador, bem ao lado de quaisquer números ou textos com os quais o programa deva trabalhar.

Assim que as instruções passam a ser apenas dados na memória, “mudar o programa” deixa de ser uma tarefa de hardware e vira uma tarefa de carregamento de dados: carregam-se valores binários diferentes na memória, e o computador roda um programa diferente, no tempo que leva para ler essa memória, e não no tempo que leva para recabear uma sala cheia de equipamentos. Essa única ideia é o motivo de um computador moderno conseguir rodar um processador de texto de manhã e um videogame à tarde sem que ninguém toque na fiação interna dele.

Vale a pena refletir sobre o quão estranha essa ideia realmente é, porque a familiaridade desgastou essa estranheza. Um programa armazenado como dados pode, em princípio, ser examinado, copiado, modificado (até modificar a si mesmo) usando exatamente as mesmas operações que o computador já usa para examinar, copiar e modificar qualquer outro dado. Instruções e dados não são dois tipos diferentes de coisa para um computador de programa armazenado, são o mesmo tipo de coisa, distinguidos só por como o processador está interpretando-os no momento.

A arquitetura construída em torno do conceito de programa armazenado (hoje chamada arquitetura de von Neumann, em homenagem ao matemático John von Neumann, que a descreveu num influente relatório de 1945) organiza um computador em um pequeno número de partes que cooperam entre si: uma unidade central de processamento contendo uma unidade de controle e uma unidade lógica e aritmética, uma memória compartilhada entre instruções e dados, e mecanismos de entrada/saída ligando a máquina ao mundo externo.

O que essas partes de fato fazem, repetidamente, se chama ciclo de busca-decodificação-execução. Busca: a unidade de controle lê a próxima instrução da memória, no endereço contido num registrador chamado contador de programa. Decodificação: a unidade de controle interpreta o padrão binário dessa instrução para determinar qual operação ela especifica. Execução: a unidade lógica e aritmética realiza essa operação, e o resultado é armazenado de volta na memória ou enviado para a saída.

Depois o ciclo se repete, continuamente, enquanto o computador roda, o que é uma descrição realmente completa do que acontece, no nível mais baixo, dentro de literalmente todo computador de propósito geral construído sobre essa arquitetura, de um mainframe dos anos 1950 ao dispositivo em que este curso está sendo lido. Tudo o mais complicado que um computador faz é esse ciclo, executado um número enorme de vezes, sobre instruções e dados que foram eles mesmos produzidos por execuções anteriores desse mesmo ciclo.

Von Neumann architecture and the fetch-decode-execute cycle, https://diveintosystems.org/book/C5-Arch/von.html.

O binário (um sistema numérico que usa só 0 e 1) não é uma escolha arbitrária feita por conveniência. Ele corresponde diretamente aos dois estados elétricos estáveis que um circuito digital consegue distinguir de forma confiável: uma tensão lida como “ligado” ou “desligado”, “alta” ou “baixa”. Um computador construído para distinguir de forma confiável dez níveis de tensão diferentes para um sistema decimal seria muito mais sensível a ruído elétrico do que um construído para distinguir apenas dois, que é a razão prática e física pela qual o binário acabou vencendo como a representação que quase todo computador digital de fato usa internamente.

Como tanto instruções quanto dados são, em última instância, armazenados como padrões binários na mesma memória, o conceito de programa armazenado com que este capítulo abriu fica concreto: uma sequência de 0s e 1s na memória pode representar o número 12, a letra “A”, ou uma instrução dizendo ao processador para somar dois registradores, e qual interpretação se aplica depende inteiramente de como o programa em execução naquele momento trata aquela posição específica de memória, não de nada intrínseco aos próprios bits.