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PentiumTermos técnicos GdHA primeira mudança trazida pelo Pentium foi o aumento da quantidade de cache L1, que passou a ser de 16 KB, dividido em dois blocos de 8 KB. Isso melhorou a eficiência do cache (em relação ao cache unificado do 486), permitindo que o processador consiga acessar instruções e dados necessários para executá-las simultaneamente, em vez de precisar fazer duas operações separadas. Além do aumento no tamanho, o cache passou a ser acessado através de um barramento interno de 512 bits (256 bits para o cache de dados e mais 256 para o de instruções), contra apenas 128 bits no 486. Assim como no 5x86 da AMD, passou também a ser utilizado cache write-back, que também cacheava 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, situação onde o processador tinha que esperar pela memória RAM. Com a popularização dos games e aplicativos 3D de uma forma geral, o desempenho do processador em ponto flutuante passou a ser cada vez mais importante. Combinado com as melhorias no cache, foi desenvolvido um co-processador aritmético cerca de 5 vezes mais rápido que o usado no 486. O co-processador do Pentium era tão rápido (comparado com outros processadores da época), que mesmo um K6-2 perdia para um Pentium da mesma freqüência em jogos e aplicativos muito dependentes de cálculos de ponto flutuante. O Pentium também foi o primeiro processador Intel a usar uma arquitetura superescalar. Internamente, o Pentium possui duas unidades de execução, com a inclusão de um circuito de branch prediction, encarregado de dividir as instruções entre as duas unidades e antecipar o processamento de instruções, de forma a manter ambas ocupadas na maior parte do tempo. Essa tendência de "executar mais por ciclo de clock" continua até os dias de hoje, com os processadores incluindo um número cada vez maior de unidades de execução, mais memória cache, circuitos aprimorados de branch prediction, sem falar nos processadores dual-core e quad-core. Mesmo que existisse um 486 ou Pentium capaz de operar a 2 ou 3 GHz, o desempenho seria ridiculamente inferior ao de um processador atual operando na mesma freqüência. Acompanhando as melhorias no processador, foram feitas mudanças nas placas-mãe, de forma a melhorar o desempenho de acesso à memória. Em primeiro lugar, as placas para Pentium operam a freqüências mais altas: 60 ou 66 MHz, de acordo com o processador usado. Embora as memórias FPM e EDO usadas na época não fossem capazes de acompanhar a mudança (elas passaram a trabalhar usando tempos de espera), o aumento da freqüência permitiu usar chips de cache L2 mais rápidos (já que eles operavam na freqüência da placa-mãe). Além disso, o Pentium passou a acessar a memória a 64 bits, ao invés de 32 bits como no 486, o que efetivamente dobrou a velocidade do barramento com a memória. Como os pentes de 72 vias usados na época eram módulos de 32 bits, era necessário utilizá-los aos pares, sempre 2 ou 4 módulos, sendo que os módulos dentro de cada par deveriam ser idênticos. Os pentes de 72 vias são antecessores diretos dos módulos DIMM usados atualmente. Os processadores Pentium existiram em versões de 60 a 200 MHz, sempre com a placa-mãe operando a 60 ou 66 MHz e usando um multiplicador de 1x, 1.5x, 2x, 2.5x ou 3x para atingir a freqüência anunciada. Era comum fazer overclock aumentando a freqüência da placa-mãe para 75 MHz, opção oferecida pela maioria das placas soquete 7 da época. Assim como na época dos micros 486, as placas mãe para processadores Pentium (com exceção de placas muito antigas) suportam várias freqüências de barramento e vários multiplicadores distintos. Na maioria dos casos é possível configurar a placa-mãe para utilizar qualquer processador da família.
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