Processadores

Apesar do processador ser o componente mais importante do micro, já que é ele quem processa quase todas as informações, ele não é necessariamente o maior responsável pelo desempenho. Na verdade, dependendo da aplicação à qual o micro se destina, o desempenho do processador pode ser menos importante que a quantidade de memória RAM, que o desempenho da placa de vídeo 3D, ou até mesmo que o desempenho do disco rígido.

Tenha em mente que o computador é um conjunto, cada componente depende dos demais para mostrar o seu potencial.

Dizemos que um micro é tão rápido quanto seu componente mais lento. Como estamos falando de um conjunto, apenas um componente que apresente uma baixa performance será suficiente para colocar tudo a perder. Assim como vemos em outras situações, num carro por exemplo, onde um simples pneu furado pode deixar o carro parado na estrada.

Se o micro tiver pouca memória RAM por exemplo, o sistema operacional será obrigado a usar memória virtual, limitando a performance ao desempenho do disco rígido, que é centenas de vezes mais lento que ela. Caso o micro não possua memória cache, o desempenho ficará limitado ao desempenho da memória RAM, que é muito mais lenta que o processador e por aí vai. Dizemos neste caso, que o componente de baixo desempenho é um gargalo, pois impede que o conjunto manifeste todo o seu potencial. Às vezes, simplesmente aumentar a quantidade de memória RAM, operação que custa relativamente pouco, é capaz de multiplicar a velocidade do micro.

Mas, apesar de tudo, o processador ainda é o componente básico de qualquer PC. Com o avanço cada vez mais rápido da tecnologia, e várias empresas disputando o mercado, os projetistas vem sendo obrigados a desenvolver projetos cada vez mais ousados a fim de produzir os processadores com o melhor desempenho. Isso é excelente para nós, mas também pode trazer armadilhas, já que com projetos tão diferentes, cada processador acaba saindo-se bem em algumas aplicações, mas muito mal em outras. Não dá para julgar o desempenho do processador apenas pela frequência de operação, como fazíamos na época do 486, os tempos mudaram.

Mas, já que está aqui, que tal conhecermos os avanços pelos quais os processadores passaram até chegar aos dias de hoje? Vamos discutir primeiro algumas características básicas dos processadores, conhecer os pioneiros da década de 70 e avançar pelos anos 80 e 90, até chegar nos dias de hoje. Aperte os cintos :-)

Características Básicas dos processadores modernos

Existem no mercado vários modelos de processadores, que apresentam preços e desempenho bem diferentes. Este tópico inicial se destina a estabelecer os diferenciais básicos que determinam a performance de um processador, a parte teórica que vai lhe ajudar a compreender a diferença entre os processadores que vamos examinar com detalhes mais adiante.

Quando vamos comprar um processador, a primeira coisa que perguntamos é qual sua frequência de operação, medida em Megahertz (MHz) ou milhões de ciclos por segundo, frequência também chamada de clock. Acontece, que nem sempre um processador com uma velocidade de operação mais alta é mais rápido do que outro que opera a uma frequência um pouco mais baixa. A frequência de operação de um processador indica apenas quantos ciclos de processamentos são realizados por segundo, o que cada processador é capaz de fazer em cada ciclo já é outra história.

Imagine um processador 486 de 100 MHz, ao lado de um Pentium também de 100 MHz. Apesar da frequência de operação ser a mesma, o 486 perderia feio em desempenho. Na prática, o Pentium seria pelo menos 2 vezes mais rápido. Isto acontece devido à diferenças na arquitetura dos processadores e também no coprocessador aritmético e cache.

Coprocessador aritmético

Todos os processadores da família x86, usada em micros PC, são basicamente processadores de números inteiros. Muitos aplicativos porém, precisam utilizar valores de maior precisão, assim como funções matemáticas complexas, como Seno, Coseno, Tangente, etc., para realizar suas tarefas. Este é o caso dos programas de CAD, planilhas, jogos com gráficos tridimensionais e de processamento de imagens em geral.

A função do coprocessador aritmético é justamente auxiliar o processador principal no cálculo destas funções complexas, cada vez mais utilizadas, principalmente em jogos. É como um matemático profissional que ajuda o processador a resolver os problemas mais complexos, que ele demoraria muito para resolver sozinho.

Até o 386, o coprocessador era apenas um acessório que podia ser comprado à parte e instalado num encaixe apropriado da placa mãe, sendo que cada modelo de processador possuía um modelo equivalente de coprocessador. O 8088 utilizava o 8087, o 286 o 287, o 386SX e 386DX utilizavam respectivamente o 387SX e o 387DX e o 486SX utilizava 487DX. O problema nesta estratégia é que como poucos usuários equipavam seus micros com coprocessadores aritméticos, a produção destes chips era baixa, e consequentemente os preços eram altíssimos, chegando ao ponto de em alguns casos o coprocessador custar mais caro que o processador principal. Com o aumento do número de aplicativos que necessitavam do coprocessador, sua incorporação ao processador principal apartir do 486DX foi um passo natural. Com isso, resolveu-se também o problema do custo de produção dos coprocessadores, barateando o conjunto.

Atualmente, o desempenho do coprocessador determina o desempenho do micro em jogos e aplicativos gráficos em geral, justamente as aplicações onde os processadores atuais são mais exigidos. Infelizmente, o desempenho do coprocessador é uma característica que varia muito entre os processadores atuais.

Encaixe para o coprocessador aritmético

Memória Cache

Enquanto os processadores tornaram-se quase 10 mil vezes mais rápidos desde o 8088 (o processador usado no XT), a memória RAM, sua principal ferramenta de trabalho, pouco evoluiu em performance.

Quando foram lançados os processadores 386, percebeu-se que as memórias não eram mais capazes de acompanhar o processador em velocidade, fazendo com que muitas vezes ele tivesse que ficar “esperando” os dados serem liberados pela memória RAM para poder concluir suas tarefas, perdendo muito em desempenho.

Se na época do 386 a velocidade das memórias já era um fator limitante, imagine o quanto este problema não atrapalharia o desempenho dos processadores que temos atualmente. Para solucionar este problema, começou a ser usada a memória cache, um tipo ultra-rápido de memória que serve para armazenar os dados mais frequentemente usados pelo processador, evitando na maioria das vezes que ele tenha que recorrer à comparativamente lenta memória RAM. Sem ela, o desempenho do sistema ficará limitado à velocidade da memória, podendo cair em até 95%!. São usados dois tipos de cache, chamados de cache primário, ou cache L1 (level 1), e cache secundário, ou cache L2 (level 2).

O cache primário é embutido no próprio processador e é rápido o bastante para acompanhá-lo em velocidade. Sempre que um novo processador é desenvolvido, é preciso desenvolver também um tipo mais rápido de memória cache para acompanhá-lo. Como este tipo de memória é extremamente caro (chega a ser algumas centenas de vezes mais cara que a memória RAM convencional) usamos apenas uma pequena quantidade dela. O 486 traz apenas 8 KB, o Pentium traz 16 KB, enquanto o Pentium II e o Pentium III trazem 32 KB, enquanto o Athlon e o Duron da AMD trazem 128 KB.

Para complementar, usamos também um tipo um pouco mais lento de memória cache na forma do cache secundário, que por ser muito mais barato, permite que seja usada uma quantidade muito maior. Nos micros 486 o mais comum é o uso de 128 ou 256 KB de cache L2, enquanto nos micros mais modernos o mais comum é o uso de 512 KB. Dependendo do processador usado, o cache L2 pode vir embutido no próprio processador ou fazer parte da placa mãe.

Sempre que o processador precisar ler dados, os procurará primeiro no cache L1. Caso o dado seja encontrado, o processador não perderá tempo, já que o cache primário funciona na mesma frequência que ele. Caso o dado não esteja no cache L1, então o próximo a ser indagado será o cache L2. Encontrando o que procura no cache secundário, o processador já perderá algum tempo, mas não tanto quanto perderia caso precisasse acessar diretamente a memória RAM.

Por outro lado, caso os dados não estejam em nenhum dos dois caches, não restará outra saída senão perder vários ciclos de processamento esperando que eles sejam entregues pela lenta memória RAM. Para exemplificar, imagine que você estivesse escrevendo um e-mail e derrepente precisasse de uma informação que você havia anotado em um papel. Se o papel estivesse sobre sua mesa, você poderia lê-lo sem perder tempo. Se estivesse dentro de uma gaveta da sua mesa, já seria necessário algum tempo para encontrá-lo enquanto se ele estivesse perdido em algum lugar de um enorme fichário do outro lado da sala, seria preciso um tempo enorme.

Antigamente, era comum as placas mães virem com soquetes apropriados, que permitiam ao usuário adicionar mais memória cache caso quisesse. Os módulos adicionais, chamados de módulos COAST (cache on a stick) eram relativamente acessíveis, levando muita gente a fazer o upgrade. Entretanto, atualmente esta possibilidade não existe mais, pois a grande maioria dos processadores já trazem o cache L2 integrado, não permitindo qualquer modificação, já que não dá para abrir o processador e soldar mais cache. Mesmo no caso de processadores que ainda usam cache embutido na placa mãe, como o K6-2, não existe mais o encaixe para adicionar mais cache.

Ou seja, atualmente a quantidade de cache que você deseja no processador ou placa mãe deve ser decidida antes da compra, baseado nas opções disponíveis. Uma vez adquiridos o processador e a placa mãe não será possível fazer qualquer alteração.

Processadores RISC X Processadores CISC

Sempre houve uma grande polêmica em torno de qual dessas plataformas é melhor. Talvez você ache inútil eu estar falando sobre isto aqui, mas é interessante que você compreenda a diferença entre estas duas plataformas, para entender vários aspectos dos processadores modernos.

Um processador CISC (Complex Instruction Set Computer, ou “computador com um conjunto complexo de instruções”), é capaz de executar várias centenas de instruções complexas diferentes, sendo extremamente versátil. Exemplos de processadores CISC são o 386 e o 486.

No começo da década de 80, a tendência era construir chips com conjuntos de instruções cada vez mais complexos. Alguns fabricantes porém, resolveram seguir o caminho oposto, criando o padrão RISC (Reduced Instruction Set Computer, ou “computador com um conjunto reduzido de instruções”). Ao contrário dos complexos CISC, os processadores RISC são capazes de executar apenas algumas poucas instruções simples. Justamente por isso, os chips baseados nesta arquitetura são mais simples e muito mais baratos. Outra vantagem dos processadores RISC, é que, por terem um menor número de circuitos internos, podem trabalhar a frequências mais altas. Um exemplo são os processadores Alpha, que em 97 já operavam a 600 MHz.

Pode parecer estranho que um chip que é capaz de executar algumas poucas instruções, possa ser considerado por muitos, mais rápido do que outro que executa centenas delas, seria como comparar um professor de matemática com alguém que sabe apenas as quatro operações. Mas, um processador RISC é capaz de executar tais instruções muito mais rapidamente. A idéia principal, é que apesar de um processador CISC ser capaz de executar centenas de instruções diferentes, apenas algumas são usadas frequentemente. Poderíamos então criar um processador otimizado para executar apenas estas instruções simples que são mais usadas. Como de qualquer forma, pouca gente programa diretamente em Assembly, bastaria alterar os compiladores, para que os programas fossem compatíveis com os novos processadores.

É indiscutível, porém, que em muitas tarefas os processadores CISC saem-se melhor, principalmente pelo seu grande número de recursos. Por isso, ao invés da vitória de uma das duas tecnologias, atualmente vemos processadores híbridos, que são essencialmente processadores CISC, mas incorporam muitos recursos encontrados nos processadores RISC (ou vice-versa).

Apesar de por questões de Marketing, muitos fabricantes ainda venderem seus chips, como sendo “Processadores RISC”, não existe praticamente nenhum processador atualmente que siga estritamente uma das duas filosofias. Tanto processadores da família x86, como o Pentium II, Pentium III e AMD Athlon, quanto processadores supostamente RISC, como o MIPS R10000 e o HP PA-8000 misturam características das duas arquiteturas, por simples questão de performance. Por que ficar de um lado ou de outro, se é possível juntar o melhor dos dois mundos? A última coisa que os fabricantes de processadores são é teimosos, sempre que aparece uma solução melhor, a antiga e abandonada.

Examinando de um ponto de vista um pouco mais prático, a vantagem de uma arquitetura CISC é que já temos muitas das instruções guardadas no próprio processador, o que facilita o trabalho dos programadores, que já dispõe de praticamente todas as instruções que serão usadas em seus programas. No caso de um chip estritamente RISC, o programador já teria um pouco mais de trabalho, pois como disporia apenas de instruções simples, teria sempre que combinar várias instruções sempre que precisasse executar alguma tarefa mais complexa. Seria mais ou menos como se você tivesse duas pessoas, uma utilizando uma calculadora comum, e outra utilizando uma calculadora cientifica. Enquanto estivessem sendo resolvidos apenas cálculos simples, de soma, subtração, etc. quem estivesse com a calculadora simples poderia até se sair melhor, mas ao executar cálculos mais complicados, a pessoa com a calculadora científica disporia de mais recursos.

Nos chips atuais, que são na verdade misturas das duas arquiteturas, juntamos as duas coisas. Internamente, o processador processa apenas instruções simples. Estas instruções internas, variam de processador para processador, são como uma luva, que se adapta ao projeto do chip. As instruções internas de um K6 são diferentes das de um Pentium por exemplo. Sobre estas instruções internas, temos um circuito decodificador, que converte as instruções complexas utilizadas pelos programas em várias instruções simples que podem ser entendidas pelo processador. Estas instruções complexas sim, são iguais em todos os processadores usados em micros PC. É isso que permite que um K6 e um Pentium sejam compatíveis entre sí.

O conjunto básico de instruções usadas em micros PC é chamado de conjunto x86. Este conjunto é composto por um total de 187 instruções, que são as utilizadas por todos os programas. Além deste conjunto principal, alguns processadores trazem também instruções alternativas, que permitem aos programas executar algumas tarefas mais rapidamente do que seria possível usando as instruções x86 padrão. Alguns exemplos de conjuntos alternativos de instruções são o MMX (usado apartir do Pentium MMX), o 3D-NOW! (usado pelos processadores da AMD, apartir do K6-2), e o SSE (suportado pelo Pentium III).

PCs x Macs

Continuando na discussão de processadores RISC e CISC, vamos estudar um pouco sobre a arquitetura de dois processadores atuais, o G4, utilizado nos micros Macintosh e o AMD Athlon, usado em micros PC.

Existe uma idéia geral de que o G4, usado nos Macs é um processador RISC, enquanto os processadores usados em micros PC, incluindo o Pentium III e o Athlon são todos CISC. Ambas as afirmações estão erradas. Na verdade, tanto o G4, quanto o Athlon e o Pentium III são considerados processadores Post-RISC, processadores que possuem um conjunto de instruções gigantesco, maior do que o conjunto de instruções de um processador CISC típico. A diferença é que toda essa gigantesca gama de instruções diferentes, podem ser decodificadas em instruções RISC simples, estas sim que serão processadas. A “conversão” das instruções é feita por um componente especial do processador, chamado de Hardware Decoder, encontrado tanto no G4 quanto no Athlon.

O G4 possui um enorme conjunto de instruções, assim como os processadores x86, mas todas instruções que podem ser convertidas pelo Hardware decoder e em seguida processadas. O Hardware Decoder é extremamente rápido, por isso não compromete o desempenho do processador. De fato, a perda de desempenho por usar este grande conjunto de instruções que precisam ser quebradas em instruções menores é de menos de 1%. É por isso que os processadores atuais abandonaram a idéia RISC original: a perda de desempenho é ínfima perto do ganho de flexibilidade.

O Athlon por sua vez, tem que ser compatível com o conjunto de instruções x86, caso contrário não poderia ser usado em micros PC. As instruções x86 consistem em basicamente dois tipos de instruções, as instruções simples, que podem ser diretamente processadas pelo Hardware decoder, sem perda de tempo, e as instruções complexas, que são quebradas em instruções simples por outro componente, chamado Microcode decoder.

As instruções simples, que podem ser diretamente processadas, são as mais frequentemente usadas nos programas. De fato, num programa atual típico, é composto de entre 95 e 97% destas instruções simples.

O restante são as instruções complexas, que apesar de raramente usadas são as que dão mais trabalho, pois precisam passar por um processo de decodificação muito mais lento, feito pelo Microcode Decoder.

Para amenizar este problema, a AMD incluiu um buffer de pré extração no Athlon, que funciona como uma espécie de fila por onde as instruções já decodificadas passam antes de ser processadas. Graças a isto, o processador pode processar outras instruções enquanto aguarda o Microcode Decoder decodificar cada instrução complexa, sem perder muito tempo.

Com isto, mesmo mantendo compatibilidade com o conjunto de instruções x86, o Athlon perde muito pouco em desempenho em relação ao G4, isto naturalmente comparando dois processadores de mesma frequência. O IPC, ou seja, o número de instruções processadas por ciclo de ambos é muito próximo, o que garante que um Athlon de 500 MHz apresente um desempenho muito parecido com um G4 também de 500 MHz.

Front End e Back End

Qualquer processador atual pode ser dividido em dois blocos básicos, o Front End e o Back End.

O Front End corresponde aos circuitos que decodificam as instruções, no caso o Hardware decoder, Microcode decoder e buffer de pré extração que acabei de explicar, junto com mais alguns componentes, como os circuitos de Branch Prediction (que ordenam as instruções de forma que o processador possa processador o maior número possível de instruções por ciclo e o cache L1. Estes componentes são a “porta de entrada” do processador, tendo a função de preparar as instruções para serem processadas.

O Back End é a parte do processador que finalmente processa as instruções, sendo composto basicamente pelas unidades de execução.

Como vimos, o fato como ambos os processadores decodificam as instruções, contando com o Hardware decoder é bastante semelhante, mas o Athlon possui alguns componentes a mais para garantir compatibilidade com as instruções x86. Isto não atrapalha o desempenho do processador, mas o torna um projeto mais complexo.

Em termos de unidades de execução, ou seja, o Back End, é que os processadores mostram mais algumas diferenças na forma como processam as instruções já decodificadas.

O Athlon possui um total de 9 unidades de execução, enquanto o G4 possui apenas 6. A diferença parece grande, mas na prática o desempenho é quase o mesmo, veja por que:

O Athlon possui 3 unidades de execução para leitura/gravação de dados na memória, enquanto o G4 possui apenas uma. O ponto é que todas as instruções, tanto de inteiros, quanto de ponto flutuante no Athlon, vem com um espaço reservado para uma instrução de leitura/gravação, espaço que nem sempre é preenchido, fazendo com que as 3 unidades fiquem ociosas na maior parte do tempo, apesar de agilizarem algo de vez em quando.

No G4, só existe uma unidade de leitura/gravação, mas que em compensação fica ocupada na maior parte do tempo. Na prática, esta única unidade acaba fazendo o mesmo volume de trabalho das três do Athlon, que ficam boa parte do tempo ociosas. Sem dúvida, o G4 perde alguma coisa em termos de desempenho, mas muito pouco.

Em termos de unidades de execução de inteiros e de ponto flutuante, que são as mais importantes, temos especificações parecidas em ambos:

O Athlon possui três unidades de ponto flutuante (que formam o coprocessador aritmético), o mesmo número encontrado no G4. Apenas para efeito de comparação, o Pentium 3 possui apenas duas. Com o mesmo número de unidades, o desempenho dos dois processadores no quesito ponto flutuante é quase igual.

Já em termos de unidades de processamento de inteiros, o cenário muda um pouco de figura, pois o Athlon possui três unidades de execução contra apenas duas do G4.

Isto garante que o Athlon tenha um desempenho um pouco melhor que o G4 em aplicativos de escritórios, mas a diferença é pequena, pois o desempenho real também depende do cache, velocidade de acesso à memória, etc.

Em termos de instruções 3D, o Athlon conta com o 3D-Now, o famoso conjunto de instruções, embutido nos processadores AMD que permite melhorar o desempenho do processador em jogos e aplicativos 3D. O Athlon traz também o velho MMX, que garante algum ganho em aplicativos multimídia.

O G4 por sua vez traz um conjunto unificado, o Altivec, que inclui tanto instruções 3D (como no 3D-Now!), quanto instruções multimídia (como no MMX), isto garante que tanto o Athlon quanto o G4 possuam armas semelhantes neste quesito, o resto fica por conta dos programadores.

Do 8086 ao Pentium

O primeiro microprocessador foi lançado pela Intel em 1971 e se chamava i4004. Este era um processador extremamente simples, formado por pouco mais de 2000 transístores, mas que foi o precursor dos processadores que temos atualmente. A chamada lei de Moore, que leva o nome do fundador da Intel, Gordon Moore, prega que a potência dos processadores dobra a cada 18 meses. Apesar desta previsão ter sido feita no final da década de 70, continuou mantendo-se verdadeira até os dias de hoje, com uma precisão notável.

De lá pra cá, foi um longo caminho. Enormes investimentos foram feitos e muitos dos maiores gênios do planeta trabalharam em busca de soluções para questões cada vez mais complexas. Vamos agora examinar os avanços feitos desde o 8088, usado no XT, até o Pentium, onde estudaremos quando e porque recursos como o modo protegido e a multiplicação de clock foram introduzidos, e no que eles afetam o funcionamento do processador. Entendendo estes conceitos, você poderá facilmente entender as diferenças entre os processadores Pentium III, Athlon, K6-3 etc. que temos atualmente e veremos com mais detalhes adiante, assim como dos processadores que vierem a ser lançados futuramente que, pode ter certeza, continuarão utilizando os mesmos conceitos básicos.

8088

O 8088 era na verdade uma versão económica do processador 8086, que havia sido lançado pela Intel em 78. Quando a IBM estava desenvolvendo seu computador pessoal, chegou a ser cogitado o uso do 8086, mas acabou sendo escolhido o 8088 devido ao seu baixo custo.

Tanto o 8086 quanto o 8088 são processadores de 16 bits e eram considerados avançadíssimos para a época, apesar de serem extremamente simples para os padrões atuais. A diferença entre eles é que o 8088, apesar de internamente trabalhar com palavras binárias de 16 bits, usava um barramento de apenas 8 bits, o que permitiu à IBM utilizar os mesmos componentes usados nos computadores de 8 bits da época, que eram muito mais baratos do que os periféricos de 16 bits.

Esta arquitetura permitiu ao primeiro PC competir na mesma faixa de preço dos computadores de 8 bits mais populares e, ao mesmo tempo, possuir um desempenho bem superior devido ao seu processador de 16 bits. O 8088 é capaz de acessar até 1 MB de memória RAM, e funciona a 4.77 MHz, recursos incríveis para a época, já que estamos falando de um processador lançado no final de 1979.

Falando em recursos, só para matar sua curiosidade, o PC original da IBM, lançado em Agosto de 1981 possuía apenas 64 KB de memória RAM (a versão mais simples vinha com apenas 16 KB), monitor MDA mono de 12 polegadas, usava uma unidade de disquetes de 5 1/4 de apenas 160 KB e vinha sem disco rígido. O sistema operacional usado era o MS-DOS 1.0 (na época ainda chamado de PC-DOS), que foi desenvolvido pela Microsoft com base num sistema operacional mais simples, chamado QDOS, comprado da Seattle Computers, uma pequena empresa desenvolvedora de sistemas. Na verdade, a Microsoft foi a segunda opção da IBM, depois de ter sua proposta de licença recusada pela Digital Research, que na época desenvolvia versões do seu CP/M para várias arquiteturas diferentes.

Dois anos depois, foi lançado o PC XT, que apesar de continuar usando o 8088 de 4.77 MHz, vinha bem mais incrementado, com 256 KB de RAM, disco rígido de 10 MB, monitor CGA e o MS-DOS 2.0.

Mesmo com o surgimento dos micros 286, o XT ainda continuou sendo bastante vendido, pois era mais barato. Fabricantes de clones criaram projetos de micros XTs mais avançados, equipados com processadores 8088 de 8 MHz, discos rígidos maiores e até 640 KB de memória RAM.

Segmentação de Endereços

Um recurso bem interessante, usado no 8088, é a segmentação de endereços, que permitiu aumentar a quantidade de memória RAM suportada pelo processador.

Para que o processador possa acessar a memória RAM, é preciso que a memória seja dividida em endereços. Cada byte depositado na memória recebe um endereço único, assim como cada rua do Brasil tem um CEP diferente. Como o 8088 pode lidar apenas com palavras binárias de 16 bits, a princípio não seria possível para ele acessar mais do que 64 Kbytes de memória RAM, já que 16 bits permitem apenas 65,536 combinações diferentes (2 elevado à 16º potência).

Se o 8088 pudesse acessar apenas 64 KB de memória RAM, os micros baseados nele seriam muito limitados e poderiam apenas rodar programas muito simples. Para você ter uma idéia, 64 KB não dariam nem mesmo para carregar o DOS 3.0.

Para solucionar este problema, foi adotada uma solução bastante engenhosa: apesar do processador continuar podendo acessar apenas 64 KB de memória de cada vez, foram criados mais 4 bits de endereçamento, que permitem o acesso a 16 blocos de memória. Como cada bloco possui 64 KB, chegamos a 1 MB inteiro de capacidade total. Basicamente criamos 16 áreas diferentes de memória, cada uma com 64 KB, que é o máximo que o 8088 pode endereçar.

O processador pode acessar uma única área de cada vez. Se por exemplo, está sendo usado o bloco 1, e de repente é preciso ler um dado gravado no bloco 2, é preciso limpar todos os endereços relativos ao bloco 1 e carregar os endereços do bloco 2. Neste momento, o processador perde o acesso ao bloco 1 e passa a enxergar apenas o segundo bloco. Quando novamente for preciso ler ou gravar dados no bloco 1 (ou qualquer outro bloco), novamente são carregados os endereços relativos a ele, e o acesso ao bloco 2 será perdido. É mais ou menos como se você precisasse fazer anotações em várias páginas de um caderno. Como só é possível ler ou escrever em uma página de cada vez, você precisaria ficar continuamente virando as páginas.

286

O processador 286 foi lançado em Fevereiro de 1982, apenas 6 meses após a IBM ter lançado o seu primeiro PC. Porém, o 286 passou a ser utilizado apenas em 1984, quando a IBM lançou o seu PC AT. Esta demora é justificável, pois, para lançar um computador usando o novo processador da Intel, foi preciso desenvolver toda uma nova arquitetura. Da placa de vídeo ao gabinete, praticamente tudo foi mudado, o que somado à burocracia e a longos períodos de testes antes do lançamento, demandou um certo tempo.

Atualmente, o período de desenvolvimentos dos periféricos é muito mais curto. Quase sempre quando um novo processador é lançado, já temos placas mãe para ele disponíveis quase que imediatamente, pois o desenvolvimento é feito de forma simultânea.

O 286 trouxe vários avanços sobre o 8088. Ele utilizava palavras binárias de 16 bits tanto interna quanto externamente, o que permitia o uso de periféricos de 16 bits, muito mais avançados do que os usados no PC original e no XT. O custo destes periféricos desta vez não chegou a ser um grande obstáculo, pois enquanto o PC AT estava sendo desenvolvido, eles já podiam ser encontrados com preços mais acessíveis.

O principal avanço trazido pelo 286 são seus dois modos de operação, batizados de “Modo Real” e “Modo Protegido”. No modo real, o 286 se comporta exatamente como um 8086 (apesar de mais rápido), oferecendo total compatibilidade com os programas já existentes. Já no modo protegido, ele manifesta todo o seu potencial, incorporando funções mais avançadas, como a capacidade de acessar até 16 Megabytes de memória RAM (usando os 24 bits de endereçamento do 286), multitarefa, memória virtual em disco e proteção de memória.

Assim que ligado, o processador opera em modo real, e com uma certa instrução, passa para o modo protegido. O problema é que trabalhando em modo protegido, o 286 deixava de ser compatível com os programas escritos para o modo real, inclusive com o próprio MS-DOS. Para piorar, o 286 não possuía nenhuma instrução que fizesse o processador voltar ao modo real, isto era possível apenas resetando o micro. Isso significa que um programa escrito para rodar em modo protegido, não poderia usar nenhuma das rotinas de acesso a dispositivos do MS-DOS, tornando inacessíveis o disco rígido, placa de vídeo, drive de disquetes memória, etc., a menos que fossem desenvolvidas e incorporadas ao programa todas as rotinas de acesso a dispositivos necessárias. Isso era completamente inviável para os desenvolvedores, pois para projetar um simples jogo, seria praticamente preciso desenvolver todo um novo sistema operacional. Além disso, o programa desenvolvido rodaria apenas em micros equipados com processadores 286, que ainda eram minoria na época, tendo um público alvo muito menor. De fato, apenas algumas versões do UNIX e uma versão do OS/2 foram desenvolvidas para utilizar o modo protegido do 286.

Basicamente, os micros baseados no 286 eram usados para rodar aplicativos de modo real, que também podiam ser executados em um XT, aproveitando apenas a maior velocidade do 286. Falando em velocidade, a primeira versão do 286 funcionava a apenas 6 MHz, sendo lançada logo depois uma nova versão de 8 MHz, que foi usada no PC AT. Posteriormente, foram desenvolvidas versões de até 20 MHz.

Devido às várias mudanças na arquitetura, destacando o acesso mais rápido à memória e alterações no conjunto de instruções do processador, que permitiam realizar muitas operações de maneira mais rápida e eficiente, um 286 consegue ser quase 4 vezes mais rápido que um 8088 do mesmo clock.

386

O 386 foi lançado apenas em Outubro de 85, três anos e meio depois do 286. Desta vez, a diretoria da IBM demorou muito para chegar à um acordo e desenvolver um sistema baseado no 386, dando tempo para a Compaq sair na frente. Este foi um verdadeiro marco pois, de repente, as companhias perceberam que não eram mais obrigadas a seguir a IBM. Qualquer um que tivesse tecnologia suficiente poderia sair na frente, como fez a Compaq. A partir daí, a IBM começou a gradualmente perder a liderança do mercado, tornando-se apenas mais um entre inúmeros fabricantes de PCs.

O 386 trouxe vários recursos novos. Para começar, o 386 trabalha tanto interna quanto externamente com palavras de 32 bits e é capaz de acessar a memória usando um barramento de 32 bits, permitindo uma transferência de dados duas vezes maior. Como o 386 pode trabalhar com palavras binárias de 32 bits, é possível acessar até 4 GB de memória (2 elevado à 32º potência), mesmo sem usar a segmentação de endereços, como no 8088 e no 286.

Assim como o 286, o 386 continua possuindo os dois modos de operação. A diferença é que no 386 já é possível alternar entre o modo real e o modo protegido livremente. Um programa que rode sobre DOS, pode chavear o processador para o modo protegido, para beneficiar-se de suas vantagens, e voltar ao modo real sempre que precisar usar alguma sub-rotina do DOS, de maneira transparente ao usuário. Neste caso, é usado um programa de DPMI (“DOS Protected Mode Interface”, ou “interface DOS de modo protegido”) para fazer o chaveamento entre os dois modos.

Toda vez que o programa precisa usar alguma sub-rotina do DOS, ele passa o comando ao chaveador e fica esperando. O chaveador por sua vez, passa o processador para o modo real, executa o comando, chaveia o processador para o modo protegido e entrega o resultado ao aplicativo, que continua trabalhando como se nada tivesse acontecido. Um bom exemplo de programa de DPMI é o DOS4GW, que é usado por muitos jogos que rodam sobre o MS-DOS, como o Doom, Sim City 2000 e vários emuladores de vídeo-games.

O esquema de chaveamento também é utilizado pelo Windows 3.x, que já inclui todas as rotinas necessárias, dispensando qualquer programa de DPMI. O Windows 95/98 também pode chavear para o modo real caso precise carregar algum driver de dispositivo de modo real. Porém, devido ao modo virtual 8086, que veremos logo a seguir, não é preciso colocar o processador em modo real para executar aplicativos MS-DOS dentro do Windows 95/98

Ter um processador 386 é o requisito mínimo para rodar qualquer sistema operacional ou aplicativo de modo protegido moderno. Com um 386, um mínimo de memória RAM e espaço em disco suficiente, você pode rodar o Windows 95 e a maioria dos aplicativos para ele, embora bem lentamente devido à pouca potência do processador. Com um simples 286, no máximo você poderá rodar o DOS e aplicativos mais simples, que trabalhem somente com o modo real. Também é possível rodar o Windows 3.0, porém em modo “Standard”, onde é possível acessar todos os 16 MB de memória permitidos pelo 286, mas sem memória virtual nem multitarefa.

A Introdução do Cache

Os processadores 386 acima de 20 MHz eram muito rápidos para as memórias RAM existentes na época. Por isso, a cada acesso, o processador tinha que ficar “esperando” os dados serem liberados pela memória RAM para poder concluir suas tarefas, perdendo muito em desempenho. Para solucionar esse problema, passaram a ser usadas pequenas quantidades de memória cache na grande maioria das placas mãe para micros 386 e superiores.

A memória cache é um tipo de memória ultra-rápida, que armazena os dados mais usados pelo processador, evitando na grande maioria dos casos, que ele precise perder tempo buscando dados diretamente na lenta memória RAM. Mesmo uma pequena quantidade de memória cache é capaz de melhorar bastante a velocidade da troca de dados entre o processador e a RAM.

Apesar de já ser bem mais rápido que a memória RAM, o 386 ainda não era um processador muito rápido, justamente por isso, ainda não era tão dependente do desempenho da memória cache quanto os processadores atuais. Um 386 equipado com memória cache é de 20 a 30% mais rápido que um 386 da mesma frequência, mas sem memória cache, enquanto um processador moderno pode ficar até 20 vezes mais lento caso sejam desabilitados tanto o cache L1 quanto o cache L2.

386SX

Como o 386 era um processador de 32 bits, foi preciso desenvolver toda uma nova categoria de chipsets e circuitos de apoio para trabalhar com ele, o que acabou encarecendo bastante os sistemas baseados no 386 e afastando muitos compradores em potencial.

Para contornar este problema, a Intel optou por lançar uma versão de baixo custo do 386, batizada de 386SX, que apesar de continuar funcionando internamente com palavras de 32 bits, comunicava-se com a memória RAM e os demais periféricos usando palavras de 16 bits (como o 286). Apenas para diferenciar os dois processadores, a Intel passou a chamar o 386 original de 386DX.

Esta arquitetura permitiu que fossem aproveitados os mesmos periféricos usados em placas de micros 286, tornando as máquinas baseadas no 386SX muito mais acessíveis. Pra você uma idéia, um PC básico equipado com um 386SX, chegava a custar menos de 1,000 dólares, quase metade de um equipamento com uma configuração parecida baseado no 386DX.

Apesar de, devido ao preço, o 386SX ter tornado-se uma boa opção em termos de custo-beneficio, em termos de performance ele fica bem atrás de um 386DX da mesma frequência, pois apesar de internamente os processadores serem idênticos, o SX usa praticamente os mesmos componentes usados nos micros 286, acessa a memória usando palavras de 16 bits e, para completar, as placas mãe para ele não possuem memória cache.

Modo Real x Modo Protegido

Operando em modo real, o processador funciona exatamente como um 8086, apenas trabalhando com uma velocidade maior. Não somente o 386, mas todos os processadores atuais podem alternar entre o modo real e o modo protegido livremente, sempre que necessário. No modo real, rodamos o MS-DOS e outros aplicativos de modo real mais antigos, enquanto no modo protegido rodamos o Windows e seus programas.

Com certeza, alguma vez ao tentar rodar um programa antigo, você já se deparou com uma enigmática mensagem de falta de memória, apesar dos manuais do programa dizerem que ele precisa apenas de 500 ou 600 KB de memória e você ter instalado bem mais do que isso. Estas mensagens surgem por que estes programas rodam com o processador operando em modo real onde, como o 8086, ele é capaz de reconhecer apenas o primeiro Megabyte da memória RAM. Este primeiro Megabyte por sua vez, é subdividido em dois blocos, chamados de memória convencional e memória estendida.

A memória convencional corresponde aos primeiros 640 Kbytes da memória, e é a área de memória usada pelos programas que operam em modo real. Os 384 Kbytes restantes são chamados de memória superior, e são reservados para armazenar uma cópia do BIOS, que passa a ser executado mais rapidamente, já que a memória RAM é muito mais rápida do que o chip de memória ROM ou Flash onde ele é originalmente armazenado. Esta cópia do BIOS é chamada de “Shadow”, ou sombra, e serve para aumentar o desempenho geral do sistema. A memória superior também é usada para armazenar sombras dos BIOS de outros dispositivos, como placas de vídeo, aumentando também a velocidade de operação destes periféricos.

Apesar de existirem 640 Kbytes de memória convencional, protos para ser usada por qualquer programa que opere em modo real, nem toda esta memória fica disponível, já que parte dela é usada pelo MS-DOS e drivers de dispositivos de modo real. É possível liberar mais memória convencional, editando os arquivos de inicialização do DOS, conseguindo assim rodar estes programas.

Quando o computador é ligado, o processador está operando em modo real. Quem dá o comando para que ele mude para o modo protegido é o sistema operacional. No caso do Windows, este comando é dado durante o carregamento do sistema.

Em modo protegido, o processador é capaz de reconhecer toda a RAM instalada no sistema, além de incorporar recursos como a multitarefa e a memória virtual em disco. É neste modo que usamos a interface gráfica do Windows e rodamos seus aplicativos.

Recursos do Modo Protegido

Apesar de, em nome da compatibilidade retroativa com programas desenvolvidos para micros PC XT e 286, tanto o 386 como todos os processadores atuais poderem operar em modo real, apenas no modo protegido eles incorporam os recursos mais avançados, que permitem a existência dos softwares que temos atualmente.

A partir do 386, poucas funções novas foram incorporadas aos novos processadores. Basicamente, evoluímos apenas em termos de velocidade. Tanto que, com um simples 386, é possível rodar praticamente qualquer aplicativo mais atual, apenas com uma velocidade menor.

O modo protegido traz basicamente quatro novos recursos: memória virtual, multitarefa, proteção de memória e o modo virtual 8086.

Memória Virtual

A capacidade do 386 de trabalhar com vários aplicativos ao mesmo tempo (multitarefa) é realmente muito útil, mas esta característica traz um pequeno problema: abrindo vários aplicativos sucessivamente, logo a memória RAM do sistema se esgota. Para corrigir este problema, o modo protegido traz também a memória virtual, que permite criar um arquivo temporário no disco rígido, chamado de Swap File, ou arquivo de troca, que funciona como uma extensão da memória RAM, permitindo abrir quantos aplicativos forem necessários, até que o espaço do disco rígido se esgote.

Por exemplo, só o Windows 2000 Professional, junto com os serviços básicos ocupa cerca de 40 MB de memória. Se você abrir o Word 97, serão necessários mais 10 Megabytes, um total de quase 50 MB. Caso o micro em questão possua apenas 32 MB de memória, seria criado um arquivo temporário de 18 MB no disco rígido, que armazenaria os dados que não couberam na memória RAM.

O problema em usar memória virtual é que o disco rígido é centenas de vezes mais lento do que a memória RAM. Um disco rígido razoável possui um tempo de acesso em torno de 10 milessegundos (milésimos de segundo) enquanto um módulo de memória PC-100 possui um tempo de acesso inferior a 10 nanossegundos (bilionésimos de segundo) ou seja, um tempo de acesso um milhão de vezes menor!Em termos de taxa de transferência, novamente temos um contraste marcante: 800 MB para o módulo de memória e de 5 a 20 MB (dependendo do modelo) para o disco rígido.

Graças a este abismo, apesar dos programas funcionarem normalmente usando memória virtual, o sistema vai ficando cada vez mais lento. Experimente, por exemplo, tentar trabalhar em um PC com apenas 4 MB de RAM (seja qual for o processador) rodando o Windows 95. A lentidão é insuportável.

No Windows 3.x, era necessário reservar uma quantidade espaço do disco rígido para a memória virtual, quantidade que podia ser configurada livremente através do Painel de Controle. O problema é que este espaço ficava indisponível. Se você possuísse um disco de 800 MB, e reservasse 200 para a memória virtual, ficaria com apenas 600 MB para instalar programas e guardar arquivos. Se por outro lado, você reservasse pouco espaço para a memória virtual, ficaria com pouca memória para abrir vários programas e trabalhar com arquivos grandes.

Apartir do Windows 95 este problema foi resolvido com a adoção de um arquivo de troca dinâmico, que vai aumentando ou diminuindo de tamanho conforme a necessidade de memória, evitando o desperdício de espaço em disco que tínhamos no Windows 3.x. Apartir do Windows 95, existe também uma administração mais racional dos recursos do sistema, movendo os arquivos mais importantes, acessados com mais frequência para memória RAM (ou memória cache, dependendo da importância do arquivo), e deixando apenas arquivos usados mais raramente no arquivo de troca. Esta simples medida diminui bastante a perda de performance causada pelo uso da memória virtual.

No Windows 2000 é possível determinar um valor inicial e um valor máximo para um arquivo de troca. No caso do Linux, a fim de melhorar o desempenho, os desenvolvedores optaram por criar um sistema de arquivos próprio para a memória virtual.

Multitarefa

Multitarefa significa executar mais de uma tarefa de cada vez, como assobiar e chupar cana ao mesmo tempo :-). Apesar de na vida real não ser muito fácil fazer duas coisas ao mesmo tempo, do ponto de vista de um computador este processo é relativamente simples. Todos os aplicativos são carregados na memória e o processador passa a executar algumas instruções de cada aplicativo por vez. Como o processador é capaz de executar vários milhões de instruções por segundo, esta troca é feita de maneira transparente, como se os aplicativos estivessem realmente sendo executados ao mesmo tempo. Enquanto o processador dá atenção para um aplicativo, todos os demais ficam paralisados, esperando sua vez.

Memória Protegida

Usando a multitarefa, quase sempre teremos vários aplicativos carregados na memória, seja na memória RAM ou no arquivo de troca. Se não houvesse nenhum controle por parte do processador, um aplicativo poderia expandir sua área de memória, invadindo áreas de outros aplicativos e causando travamentos no micro.

Um editor de imagens, por exemplo, precisa ocupar mais memória conforme as imagens vão sendo abertas ou criadas. Sem nenhuma orientação por parte do processador, simplesmente seriam ocupadas as áreas adjacentes, que poderiam tanto estar vazias, quanto estar ocupadas pelo processador de textos, por exemplo.

Para colocar ordem na casa, foi desenvolvido o recurso de proteção de memória, que consiste no processador isolar a área de memória ocupada por cada aplicativo, impedindo que ele ocupe outras áreas ao seu bel prazer. Se, por acaso, o programa precisar de mais memória, o próprio processador irá procurar uma área vazia de memória e ordenar ao aplicativo que ocupe a área reservada.

Existem basicamente dois tipos de multitarefa, denominadas multitarefa preemptiva e multitarefa cooperativa, que diferem justamente pelo uso ou não da proteção de memória.

O Windows 3.x, apesar de ser considerado um sistema operacional multitarefa, não é capaz de usar o recurso de proteção de memória, nele é usada a multitarefa cooperativa, que consiste em cada aplicativo usar os recursos do processador por um certo tempo, passar para outro programa e esperar novamente chegar sua vez para continuar executando suas tarefas. A alternância entre os programas neste caso não é comandada pelo sistema e sim pelos próprios aplicativos. Neste cenário, um aplicativo mal comportado poderia facilmente monopolizar o sistema, consumindo todos os recursos do processador por um longo período, ou mesmo invadir áreas de memória ocupadas por outros aplicativos, causando em qualquer um dos casos o famoso GPF, (“General Protection Falt”, ou “falha geral de proteção”) que tanto atormentava os usuários do Windows 3.x.

Experimente tentar fazer dois irmãos dividirem os mesmo brinquedo; pode funcionar durante um certo tempo, mas uma hora um não vai querer deixar o outro brincar e vai sair briga, exatamente como acontece com os aplicativos dentro da multitarefa cooperativa :-)

O Windows 95/98 por sua vez, usa a multitarefa preemptiva, isolando as áreas de memória ocupadas pelos aplicativos. Isto garante uma estabilidade bem maior do que a que temos no Windows 3.11. Porém, o modo como a multitarefa preemptiva é implementada no Windows 95 assim como do Windows 98 e do Windows Millennium, que são baseados no mesmo kernel (núcleo) do Windows 95, ainda possui dois problemas graves:

O primeiro é que, quando é executado um programa de 16 bits, o Windows 95 cai em multitarefa cooperativa para poder rodar o programa, deixando de proteger as áreas de memória e tornando-se tão vulnerável quanto o Windows 3.11.

Porém, mesmo usando apenas aplicativos de 32 bits os travamentos ainda são comuns, pois o Windows 95 os serviços do sistema não tem prioridade sobre os aplicativos. Isto significa que caso um aplicativo qualquer entre em loop, poderá consumir todos os recursos do processador, neste caso o sistema operacional ficará paralisado, simplesmente sem ter como fechar o aplicativo e restaurar o sistema, obrigando o usuário a resetar o micro e perder qualquer trabalho que não tenha sido salvo. Na verdade costuma-se dizer que o Windows 95/98 utiliza multitarefa semi-preemptiva, pois não utiliza todos os recursos de uma verdadeira multitarefa.

A solução para este problema veio com o Windows NT. Desde suas primeiras versões, o Windows NT é bem estável neste aspecto, pois implementa a multitarefa preemptiva de forma completa. As tarefas executadas pelo sistema operacional, são priorizadas sobre as de qualquer outro aplicativo. Isto significa que em nenhuma situação, um aplicativo terá como passar por cima do sistema operacional e consumir todos os recursos do processador como acontece no Windows 95/98.

Na prática, significa que o sistema até pode travar devido a algum bug, mas se algum aplicativo travar ou tentar invadir uma área de memória não designada para ele, simplesmente será fechado, permitindo que todos os demais aplicativos continuem trabalhando sem problemas. Você logo notará quais aplicativos costumam dar problemas, bastando substituí-los por versões mais recentes que corrijam seus bugs ou mesmo passar a usar um programa concorrente.

Tanto o Windows 2000, quanto o XP são baseados no kernel do Windows NT e mantém o mesmo sistema de funcionamento. Por ter sido inspirado no Unix, o Linux utiliza multitarefa preemptiva desde suas primeiras versões, é por isso que o Linux é considerado um dos sistemas mais estáveis, a ponto de ser usado em vários dos mais importantes servidores do planeta.

O MacOS por sua vez, utilizou a multitarefa cooperativa durante muito mais tempo, até a versão 9.x. Os usuários dos Mac só passaram a ter disponível um sistema com multitarefa preemptiva apartir do MacOS X, que é baseado no FreeBSD, um sistema Unix de código aberto, semelhante ao Linux em vários aspectos. A Apple usou o FreeBSD para construir o Darwin, que é a base do sistema e completou a obra com a interface Aqua, que mantém a idéia de facilidade de uso das versões anteriores do MacOS.

Modo Virtual 8086

Apesar de, operando em modo real, o processador ser totalmente compatível com qualquer programa antigo, seria impossível executar um aplicativo de modo real dentro do Windows 95 ou qualquer outro sistema operacional que utilize o modo protegido. Seria preciso fechar o Windows e fazer o processador voltar para o modo real para poder executar o aplicativo.

Pensando nesta possível limitação, os projetistas da Intel desenvolveram o modo virtual 8086 onde o processador, operando em modo protegido, é capaz de simular vários ambientes de modo real, cada um com 1 MB de memória e total acesso ao hardware do micro, chamados de máquinas virtuais. É como se dentro do 386 fossem abertos vários XTs completos, um para cada programa de modo real a ser executado. É justamente o modo virtual 8086 que permite abrir janelas DOS dentro do Windows 95/98.

Como o processador continua em modo protegido, cada máquina virtual tem sua área isolada na memória. O programa roda sem prejudicar a estabilidade do sistema.

486

O 386 foi o grande marco dos processadores para micros PC, pois foi o primeiro processador a trazer o conjunto de instruções x86, que são suportadas por todos os processadores modernos. Apartir dele, surgiram vários melhoramentos, mas apenas em termos de desempenho.

Apesar de não trazer instruções novas, o 486 conquistou seu lugar na história, por trazer vários recursos que continuam sendo usados até os processadores atuais. Em primeiro lugar, o 486 foi o primeiro processador a trazer cache integrado. Eram 8 Kbytes, mas que eram capazes de entregar dados a cada ciclo do processador. Como os fabricantes continuaram incluindo cache na placa mãe, um pouco mais lentos, mas em maior quantidade, surgiu também a distinção entre o cache L1 e o L2.

Outra evolução foi o coprocessador aritmético. Ao invés do caríssimo componente que deveria ser adquirido separadamente, o coprocessador passou a ser um item de série. Este foi o impulso que faltava para a popularização de vários programas e o surgimento de jogos bem mais elaborados.

Com tudo isso, um 486 é quase duas vezes mais rápido do que um 386 da mesma frequência. Em alguns aplicativos, que dependem do coprocessador aritmético, um 486 chega a ser 10 vezes mais rápido.

Como fez anteriormente com o 386, a Intel criou um 486 de baixo custo chamado de 486SX. A diferença entre o SX e o 486 original, que passou a ser chamado de 486DX. Os dois compartilhavam a mesma arquitetura, mas o SX vinha sem o coprocessador aritmético, o que o tornava muito mais lento em aplicativos gráficos e científicos.

Para os proprietários, existia a opção de posteriormente comprar um 80487SX, um coprocessador aritmético que era vendido separadamente. O problema era que comprado separadamente, o coprocessador custava quase tanto quanto um processador 486DX que já vinha com o coprocessador embutido, definitivamente um péssimo negócio. Para evitar confusão, o 486 original passou a ser chamado de 486DX.

Foram lançadas versões do 486 rodando à 25 MHz, 33 MHz e 40 MHz, porém, criou-se uma barreira, pois não haviam na época circuitos de apoio capazes de trabalhar a mais de 40 MHz. Para solucionar esse problema, foi criado o recurso de Multiplicação de Clock, através do qual o processador trabalha internamente à uma velocidade maior do que a da placa mãe. Foram lançados então os processadores 486DX2 (que trabalhavam ao dobro da frequência da placa mãe) e logo depois os 486DX4 (que trabalhavam ao triplo da frequência da placa mãe):

Com isso, surgiram também as placas mãe upgradable, que permitem atualizar o processador, apenas configurando alguns jumpers da placa.

Os processadores 486, apartir do DX-33 foram os primeiros a utilizar cooler, que naquela época eram dissipadores com menos de um centímetro de altura, com exaustores minúsculos. Conforme os processadores passaram a dissipar cada vez mais calor, os coolers foram crescendo na mesma proporção, até chegar nos exageros que vemos atualmente :-)

Multiplicação de Clock

Dentro de qualquer computador, os dados são transmitidos e processados na forma de sinais elétricos. O processador é muito pequeno, não mede mais do que 1, ou 1,2 centímetros quadrados. A placa mãe por sua vez é muito maior que isso.

Graças a esta diferença de proporções, acaba sendo muito mais fácil desenvolver um processador capaz de operar a, digamos, 2 gigahertz, do que uma placa mãe capaz de acompanha-lo. Apesar dos sinais elétricos percorrerem os circuitos a uma velocidade próxima da da luz, estamos falando de bilhões de transmissões por segundo.

O recuso de multiplicação de clock surgiu para evitar que os processadores ficassem limitados à frequência da placa mãe. Num Pentium III de 800 MHz por exemplo, a placa mãe opera a apenas 100 MHz. O multiplicador é de 8x.

Hoje em dia os processadores trazem tanto cache L1, quanto cache L2 integrados, operando na mesma frequência do restante do processador, o que diminui muito a dependência da velocidade da memória RAM, que sempre opera na mesma frequência de a placa mãe, meros 100 ou 133 MHz. Mesmo assim, quanto maior for o multiplicador, maior será a perda de desempenho. Um bom exemplo disso, é uma comparação entre o Celeron 766 (que usa bus de 66 MHz) e o Celeron 800 (que já usa bus de 100 MHz). Apesar da frequência de operação ser quase a mesma, o Celeron 800 chega a ser 20% mais rápido, graças ao acesso mais rápido à memória.

Apesar das limitações, o recurso de multiplicação de clock é indispensável atualmente, pois sem ele seria impossível desenvolver processadores muito rápidos, já que não é possível aumentar a frequência das placas mãe e dos demais periféricos na mesma proporção do aumento do clock nos processadores. Se o Pentium III, por exemplo, tivesse que trabalhar na mesma frequência da placa mãe, não passaríamos de 100 ou 133 MHz.

Nos PCs 486, Pentium, MMX e K6 é necessário configurar o multiplicador manualmente, através de alguns jumpers da placa mãe. É uma maravilha, principalmente quando você não têm o manual da placa em mãos. Mas, apartir do Pentium II, a placa é capaz de detectar automaticamente o multiplicador. Na verdade, apartir do Pentium II, todos os processadores Intel têm o seu multiplicador travado ainda na fábrica. Não é possível alterá-lo mesmo que queira.

Pipeline

Até o 386, os processadores da família x86 eram capazes de processar apenas uma instrução de cada vez. Uma instrução simples podia ser executada em apenas um ciclo de clock, enquanto instruções mais complexas demoravam vários ciclos de clock para serem concluídas. Seria mais ou menos como montar um carro de maneira artesanal, peça por peça.

Para melhorar o desempenho do 486, a Intel resolveu usar o pipeline, uma técnica inicialmente usada em processadores RISC, que consiste em dividir o processador em vários estágios distintos. O 486, possui um pipeline de 5 níveis, ou seja, é dividido em 5 estágios.

Quando é carregada uma nova instrução, ela primeiramente passa pelo primeiro estágio, que trabalha nela durante apenas um ciclo de clock, passando-a adiante para o segundo estágio. A instrução continua então sendo processada sucessivamente pelo segundo, terceiro, quarto e quinto estágios do processador. A vantagem desta técnica, é que o primeiro estágio não precisa ficar esperando a instrução passar por todos os demais para carregar a próxima, e sim carregar uma nova instrução assim que se livra da primeira, ou seja, depois do primeiro pulso de clock.

As instruções trafegam dentro do processador na ordem em que são processadas. Mesmo que a instrução já tenha sido processada ao passar pelo primeiro ou segundo estágio, terá que continuar seu caminho e passar por todos os demais. Se por acaso a instrução não tenha sido completada mesmo após passar pelos 5, voltará para o primeiro e será novamente processada, até que tenha sido concluída.

Desta maneira, conseguimos que o processador seja capaz de processar simultaneamente, em um único ciclo de clock, várias instruções que normalmente demorariam vários ciclos para serem processadas. Voltando ao exemplo do carro, seria como se trocássemos a produção artesanal por uma linha de produção, onde cada departamento cuida de uma parte da montagem, permitindo montar vários carros simultaneamente.

O uso dos 5 estágios de pipeline no 486 não chega a multiplicar por cinco a performance do processador, na verdade a performance não chega nem mesmo a dobrar, mas o ganho é bem significativo.

Pentium

Assim como o 486, o Pentium é um processador de 32 bits, capaz de acessar até 4 GB de memória RAM. Mas, novamente o processador trouxe várias melhorias que o tornaram muito mais rápido que a geração anterior. Não é à toa que o primeiro Pentium operava a apenas 60 MHz, e era, na época do lançamento, muito mais caro que um 486DX4-100. O Pentium é de 65 a 100% mais rápido que um 486 do mesmo clock. Como o processador aritmético também foi completamente remodelado, o Pentium acaba sendo ainda mais rápido em aplicativos que demandam um grande número de cálculos.

Os processadores Pentium existiram em versões de 60 a 200 MHz, sempre utilizando multiplicação de clock (com exceção apenas para as versões de 60 e 66 MHz):

Como na época dos micros 486, as placas mãe para processadores Pentium (com excessão de placas muito antigas) suportam várias frequências de barramento e vários multiplicadores distintos. Na maioria dos casos é possível configurar a placa mãe para utilizar qualquer processador da família.

Melhorias no Cache L1

A primeira mudança trazida pelo Pentium foi o aumento da quantidade de cache L1, que passou a ser de 16 KB, o dobro do 486. Além do aumento da capacidade, foram implementados três novos recursos, que tornaram o cache ainda mais eficiente:

A primeira medida foi a divisão do cache em dois blocos de 8 KB, um dedicado a armazenar dados e outro dedicado a armazenar instruções. Esta divisão permite que tanto as instruções a serem executadas pelo processador (comparação, multiplicação, soma, decisão, etc.) quanto os dados a serem processados, possam ser acessados simultaneamente no cache, aumentando sua eficiência.

Se, por exemplo, um programa qualquer ordena que o processador leia um número gravado na memória e verifique se ele é maior ou menor que 10, temos duas instruções (ler o número e compará-lo com o número 10) e duas variáveis (o número 10 e o número a ser lido). Com um cache unificado, como no 486, primeiro seriam lidas as instruções e em seguida as variáveis. No cache dividido do Pentium, ambos podem ser lidos no mesmo ciclo de clock, poupando tempo.

Outra modificação foi a ampliação do barramento de dados entre o processador e o cache. Enquanto no 486 podem ser lidos ou gravados até 128 bits de dados por ciclo de clock, no Pentium podem ser lidos ou gravados até 256 bits no cache de instruções e mais 256 no cache de dados. Como ambos os caches podem ser acessados simultaneamente, temos um barramento total de 512 bits, o quádruplo do que tínhamos no 486! Este barramento mais largo permite que quantidades maiores de dados possam ser lidos a partir do cache no mesmo espaço de tempo, permitindo ao cache acompanhar a maior velocidade de processamento do Pentium.

A última medida foi a adoção de um cache Write Back, que é capaz de cachear tanto as operações de leitura de dados na memória RAM, quanto as operações de escrita. O cache usado no 486, cacheia apenas as operações de leitura, o que permite ao processador ganhar tempo ao ler dados, mas não ajuda na hora de gravar dados, quando são perdidos vários ciclos até que a memória RAM torne-se disponível.

Previsão de desvio dinâmico

Após concluída uma instrução do programa, para que o processador não perca um único ciclo de clock aguardando que o cache ou a memória RAM enviem a próxima instrução a ser processada, foi incluído no Pentium um buffer de pré extração. Este pequeno circuito armazena as próximas instruções a serem processadas, formando uma espécie de fila. Na verdade, o buffer de pré extração funciona como uma espécie de cache L0, ficando entre o processador e o cache L1.

A maior utilidade deste buffer é prever o resultado de operações de tomada de decisão. Se chega ao processador uma instrução como “Se X > Y então Z = K, senão Z = Q” o buffer irá carregar tanto a instrução seguinte para X < Y quanto para X > Y, fazendo com que seja qual for o resultado da operação anterior, a próxima instrução já esteja carregada no buffer.

O buffer de pré extração também ajuda a memória cache a carregar antecipadamente os dados que o processador possa precisar. No caso do exemplo anterior, seriam carregados na memória cache tanto o valor de K quanto de Q.

Coprocessador Aritmético mais rápido

O coprocessador aritmético do Pentium foi completamente remodelado. Foram alteradas algumas das instruções, que passaram a ser executadas muito mais rapidamente e, como o processador principal, o coprocessador do Pentium também passou a utilizar um pipeline para aumentar a velocidade de execução das instruções.

Somadas com as brutais melhorias na arquitetura, o coprocessador do Pentium tornou-se cerca de 5 vezes mais rápido do que o utilizado no 486, tornando o processador muito mais rápido em aplicativos que demandem um grande número de cálculos.

Arquitetura Superescalar

Mais um aperfeiçoamento do Pentium e um dos principais motivos de seu maior desempenho, é a adoção de uma arquitetura superescalar.

Internamente, o Pentium trabalha como dois processadores de 32 bits distintos (chamados de canaleta U e canaleta V), sendo capaz de processar duas instruções por ciclo de clock (uma em cada processador). Cada processador possui acesso total ao cache, à memória RAM, e aos demais componentes do micro. Foi incluída também, uma unidade de controle, com a função de comandar o funcionamento dos dois processadores e dividir as tarefas entre eles.

Teoricamente, o uso de dois processadores distintos dobraria o desempenho do Pentium, já que ao invés de uma, poderiam ser executadas duas instruções por ciclo de clock. Mas, na prática existem algumas limitações.

Se por exemplo, um programa ordena que o processador some 4 números, X + Y + W + K, o processador poderia no primeiro ciclo de clock usar a canaleta U para somar X e Y e a canaleta V para somar W, mas no segundo ciclo, haveria apenas mais um cálculo para ser executado, o resultado das duas somas. Neste caso, apenas uma das canaletas poderia ser usada; a segunda ficaria ociosa. No final das contas, houve um ganho de 33%, já que ao invés do processador demorar 3 ciclos para executar o cálculo, demorou apenas 2.

Caso a continuação do cálculo dependesse da conclusão do cálculo anterior, como em “(X + Y) x 3”, a segunda canaleta novamente não poderia ser usada, pois o processador teria primeiro que somar X e Y para depois multiplicar o resultado por 3. Neste caso, não haveria ganho algum, pois o processador demoraria os mesmos dois ciclos que seriam necessários com apenas uma canalização.

Em média, a segunda canalização permite um desempenho 30 ou 40% superior ao desempenho obtido com apenas uma canalização. Caso o software seja alterado e otimizado para rodar em um processador com duas canalizações, ordenando as instruções de modo a deixar a segunda canaleta ocupada durante a maior parte do tempo, podemos conseguir mais 10 ou 15% de desempenho, chegando a algo entre 40 e 50%, mas, jamais será possível conseguir o dobro de desempenho.

Isto pode ser notado por exemplo ao recompilar o kernel do Linux. É possível orientar o utilitário a otimizar o código para qualquer processador, de um 486 a um Pentium III. Esta otimização permite que o Linux utilize todos os recursos do processador, obtendo um desempenho bastante superior.

Otimizar um programa para rodar em um processador Pentium, não o torna incompatível com processadores com apenas uma canalização (como o 486), nem torna seu desempenho menor nestes processadores, já que as mesmas instruções serão executadas, apenas em ordem diferente.

Execução Especulativa

Se o processador tivesse que processar uma instrução de tomada de decisão, como em “Se X > 0 então Y = 30, senão Y = 20”, enquanto a primeira canaleta do processador verifica se X é maior ou menor que 0, a segunda ao invés de ficar ociosa, pode executar uma das duas opções seguintes (atribuir o valor 30 ou atribuir o valor 20 a Y). No próximo ciclo, quando a primeira canaleta tivesse terminado de processar sua instrução, teríamos 50% de chance da segunda canaleta ter adivinhado qual seria a instrução seguinte e já tê-la executado. O nome “execução especulativa” foi dado por que a segunda canaleta escolhe aleatoriamente a instrução a executar, entre as duas possíveis.

Acesso mais rápido à Memória

O Pentium é capaz de acessar a memória usando palavras binárias de 64 bits, o dobro do 486, que a acessa a 32 bits. Este recurso permite que sejam lidos 8 bytes por ciclo, ao invés de apenas 4, dobrando a velocidade de acesso à memória. Isto diminuiu bastante o antigo problema de lentidão das memórias, mas apenas provisoriamente, pois logo surgiram processadores Pentium utilizando multiplicadores de clock cada vez mais altos.

Como a maioria das placas para processadores Pentium utiliza módulos de memória de 72 vias, que são módulos de 32 bits, é preciso usa-los em pares. O processador acessa cada dupla como se fosse um único módulo, chegando aos 64 bits necessários.

Mesmo com a capacidade de acessar a memória a 64 bits e sendo composto internamente por dois processadores de 32 bits, o Pentium continua sendo um processador de 32 bits. Estes novos recursos servem apenas para melhorar o desempenho do processador.

Multiprocessamento

Visando o mercado de Workstations (máquinas muito rápidas, destinadas a aplicações pesadas como processamento de imagens 3D ou vídeo) e servidores de rede, a Intel incluiu no Pentium o recurso de multiprocessamento simétrico, que permite o uso de dois processadores na mesma placa mãe. Neste caso, é preciso adquirir uma placa mãe especial, com encaixe para dois processadores e um chipset com suporte ao multiprocessamento.

Como a divisão das tarefas entre os dois processadores não é feita automaticamente pelo chipset, é preciso que o sistema operacional seja capaz de reconhecer os dois processadores e acessá-los individualmente, dividindo as tarefas entre eles da melhor maneira possível.

Caso o sistema operacional não ofereça suporte ao multiprocessamento, como é o caso do Windows 95 e do Windows 98, apenas um dos processadores será usado pelo sistema, ficando o outro inativo. Neste caso, será como se tivéssemos apenas um processador instalado. A maioria dos sistemas operacionais, incluindo o Windows NT, 2000 e XP, Linux e a maioria das versões do Unix suportam multiprocessamento, as excessões mais notáveis ficam por conta do Windows 95,98 e ME.

Apesar de, pela lógica, o desempenho dobrar com dois processadores trabalhando em paralelo, na prática o ganho dificilmente passa de 40 ou 60%, pois dificilmente será possível organizar a execução das tarefas de modo a deixar ambos os processadores ocupados todo o tempo, assim como é difícil manter as duas canaletas do Pentium cheias 100% do tempo.