8771 - MICROPROCESSADOR

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O microprocessador
Ao mesmo tempo motor e cérebro do computador, o microprocessador encarrega-se de efetuar todos os cálculos e processos que permitem o funcionamento do PC. Assim, não surpreende que ele seja o componente mais caro da máquina: seu preço pode ser duas ou mesmo três vezes maior que o da placa-mãe em que fica alojado.

O microprocessador, ou simplesmente processador, executa as instruções e cálculos que constituem os programas, ao mesmo tempo que se incumbe de enviar as informações solicitadas por todos os componentes do PC e de receber aquelas por eles geradas. Ele é de vital importância para o funcionamento geral do computador, pois de sua velocidade depende, embora não totalmente, o desempenho do sistema.
Pode-se comparar o processador a um maestro, que supervisiona os músicos e lhes indica o ritmo de trabalho. Mas a atuação do regente não basta para garantir uma boa interpretação: é preciso que os músicos estejam no nível por ele exigido. Da mesma forma, para que um PC aproveite ao máximo o rendimento de seu processador, os módulos de memória, o disco rígido, o adaptador de vídeo e os demais componentes devem ter um nível de desempenho idêntico ou superior ao seu. Não adianta muito contar-se com um processador rápido (como um Pentium III de 550 MHz) se o PC dispõe apenas de 16 MB de memória RAM ou de uma placa gráfica para barramento ISA. Um PC com configuração mais simples (um Pentium MMX de 200 MHz, com 64 MB de memória e uma placa gráfica PCI) certamente terá funcionamento muito mais ágil e, inclusive, iniciará o sistema operacional com maior velocidade.
Velocidade do processador


A escolha do processador é a decisão mais importante quando se deseja comprar ou melhorar o desempenho de um computador. Em geral, a velocidade é a característica que mais influi nessa decisão.
Megahertz (MHz) é uma medida de freqüência, não de velocidade. Por esse motivo, não é correto usar a freqüência de funcionamento para indicar a rapidez de um processador; se fosse assim, um pentium II de 400 MHz deveria ter funcionamento duas vezes mais rápido que o de um Pentium MMX de 200 MHz.
O rendimento específico de determinado microprocessador não pode ser quantificado utilizando-se uma simples fórmula, porque depende de uma grande variedade de fatores externos a ele, por exemplo o chipset, a memória disponível ou o sistema de refrigeração nele incorporado, que influi em sua temperatura de funcionamento.

A boa refrigeração é vital para o correto
funcionamento do microprocessador
Especificações


Para se identificar um processador é preciso levar em conta duas características básicas: sua freqüência e a largura de dados. É habitual que a freqüência interna do processador seja indicada em milhões de ciclos por segundo, ou MHz. Um ciclo é o elemento mínimo de tempo que o microprocessador pode gerenciar. Cada operação exige o mínimo de um ciclo para sua execução, embora na maioria dos casos sejam necessários vários ciclos. Por exemplo, para enviar dados à memória um processador Pentium III emprega um mínimo de três ciclos na preparação da informação e mais outro ciclo no envio de cada dado, e precisa voltar a preparar mais informação para enviar cada seis dados.

Assim, quando se assinala o número de instruções por segundo que um processador pode executar, o que se está indicando é uma referência da média de seu funcionamento em condições normais. Esse dado permite apreciar, na verdade, a evolução dos microprocessadores.



Estes, além de ter sua freqüência aumentada, com o passar do tempo foram reduzindo o número de ciclos que precisam gastar para executar qualquer instrução. Ao antigo processador Intel 8086 do IBM PC, que usava uma média de 12 ciclos por instrução, seguiram-se os modelos 80286 e 80386, que reduziram esse consumo para 4,5 ciclos. A evolução prosseguiu até que se chegou às três ou quatro instruções que um processador Pentium III é capaz de executar como mínimo.

Esses números só se tornaram possíveis graças aos aperfeiçoamentos introduzidos na arquitetura interna dos processadores Pentium PRO, Pentium II e Pentium III (como a execução dinâmica, a previsão de múltiplas ramificações ou o barramento DIB, que serão examinados nas próximas páginas), que tanto os diferenciam de seus predecessores.

Tais inovações permitem entender por que dois microprocessadores funcionando à mesma freqüência podem ter um desempenho diferente. Há algum tempo, essa diferença podia ser constatada em processadores como o 80386 ou o 80486 com a mesma freqüência. Atualmente, os processadores das diversas gerações ou famílias que surgiram no mercado superam a freqüência de seus antecessores e não permitem que se estabeleçam comparações diretas. Por outro lado, a eficiência de cada processador em minimizar o número de ciclos empregados para executar cada instrução ajuda a distinguir e entender as diferenças reais entre os da Intel e os fabricados por empresas como a AMD ou a Cyrix. Embora totalmente compatíveis, os processadores de cada marca apresentam notáveis diferenças de rendimento, mesmo quando compartilham uma mesma freqüência de funcionamento.
Ciclos, barramentos e instruções
Outra confusão habitual diz respeito à freqüência interna dos microprocessadores. Antes do surgimento dos 80486 da Intel, a freqüência do barramento do sistema e do microprocessador era a mesma. Com a chegada do 486 DX2, a freqüência dos processadores passou a ser um múltiplo da do barramento do sistema. Dessa forma, o microprocessador aumentava sua capacidade de cálculo e de execução, ao mesmo tempo que se mantinha a compatibilidade com todo o hardware existente, pois o barramento do sistema permanecia intacto.

Essa mudança permitiu introduzir uma melhora substancial no desempenho dos computadores. Com o passar do tempo, o projeto dos microprocessadores evoluiu de forma considerável, fazendo com que sua velocidade de processamento tenha chegado a tal ponto que os diferentes dispositivos conectados ao barramento do sistema, trabalhando a uma freqüência muito menor, às vezes não conseguem receber e fornecer a informação no ritmo exigido pelo processador. Quando isso ocorre, e o processador não recebe informações ou instruções, ele deixa passar um ou vários ciclos sem fazer nada. Esses ciclos de inatividade são conhecidos pelo nome de estados de espera (wait states).

A solução para esse problema consiste em mudar a freqüência do barramento do sistema. Paralelamente, para assegurar a compatibilidade com os demais componentes do PC, introduziram-se alguns aperfeiçoamentos que, embora não tenham significado uma alteração radical na arquitetura do sistema, implicaram a adoção de dois novos tipos de barramento local, o Vesa-LB e o barramento PCI.

Esses barramentos locais acrescentaram às placas-mãe novos slots de expansão, que permitem ligar, com uma freqüência maior e de forma direta, os periféricos ao microprocessador e à memória.
Os processadores Intel Celeron apresentam desempenho apenas ligeiramente inferior ao dos pentium II, embora custem muito menos.


Por sua vez, um chipset encarregava-se de ligar o barramento do sistema convencional ao barramento local, bem como de regular o tráfego entre os dois. Essa conexão direta entre o processador e alguns componentes do PC permitiu otimizar seu rendimento, eliminando grande parte dos estados de espera.

Como em outros casos comuns na evolução dos computadores, ao longo da qual quase nunca houve lugar para a manutenção de tecnologias incompatíveis, o barramento local Vesa-LB desapareceu quando o barramento PCI se afirmou como o padrão preferido no mundo do PC.

Com o tempo, mesmo o barramento do sistema, com seus 66 MHz, atingiu seu limite para ser capaz de abastecer microprocessadores capazes de executar mais de quatro instruções por ciclo a freqüências superiores aos 500 MHz (500 MHz x 4 instruções por ciclo = 2.000.000.000 instruções por segundo, aproximadamente o que é executado por um processador Pentium III de 500 MHz).

Alguns meses depois da introdução do pentium II no mercado apareceram as primeiras placas-mãe e os primeiros chip-sets dotados de um novo barramento , denominado AGP (Accelerated Graphics Port, porta gráfica acelerada), destinado única e exclusivamente a acelerar os processamentos gráficos do computador. Com a expansão dos sistemas operacionais gráficos, aumentou significativamente a quantidade de informação que transita no interior do PC. Os SOs de janelas, como o Windows, em vez dos caracteres que um PC de sistema operacional MS-DOS tinha de mostrar, consomem recursos, memória e largura de barramento . Movem zonas de tela de um lugar a outro, carregando e mostrando centenas de tipos de letras vetoriais ou simplesmente apresentando uma área de trabalho de milhares de pontos horizontais e verticais com uma profundidade de 24 bits de dados por pixel.

Tal como o barramento PCI em seu tempo, o barramento AGP acessa diretamente o processador e a memória por um barramento dedicado de 66 MHz. Mediante um complexo sistema de controle dos sinais transmitidos pelo barramento AGP, algumas placas podem empregar um modo especial x2 (está previsto que, no futuro, será lançado um modo x4), no qual são enviados um dado à frente e outro atrás do sinal que constitui cada ciclo. Isso torna possível alcançar uma pseudo-freqüência de 132 MHz.






Fluxo e Capacidade
Tanto ou mais importante que o ritmo no qual o processador recebe, processa e envia a informação é o tamanho do barramento de dados com o qual ele faz isso. Se compararmos uma rodovia com um barramento de dados, as pistas dessa estrada seriam as linhas de comunicação que transportam os bits, e o número de pistas indicaria a largura do barramento , que é o tamanho dos dados que ele é capaz de carregar em cada ciclo, expresso em bits. Quanto maiores forem a largura do barramento e a freqüência, tanto maior será a medida em que se consegue incrementar o fluxo de informação.
O processador recebe e envia a informação pelo barramento do sistema. Este varia em função do processador, embora geralmente tenha freqüência de 66 MHz com uma largura ou tamanho de dados de 64 bits. Com o surgimento dos microprocessadores pentium II com freqüências de 350 MHz, a Intel introduziu a mudança de freqüência do barramento de sistema para 100 MHz, mas ele conservou a largura de 64 bits de seu antecessor. Tal alteração foi possível graças ao lançamento de novos tipos de memória RAM capazes de suportar esse aumento de freqüência do barramento do sistema, que, além de melhorar a transmissão de informação entre os componentes, permite incrementar a freqüência de trabalho do microprocessador. A freqüência interna de um processador é definida pela freqüência do barramento do sistema, à qual se aplica um fator de multiplicação. Daí decorre que, quando se aumenta em alguns hertz a freqüência do barramento , o processador experimenta uma mudança muito significativa.
Os primeiros processadores Intel para barramento de 100 MHz conseguiram aumentar sua freqüência interna inclusive reduzindo-se o multiplicador. Isso tornou impossível fazer comparações diretas entre processadores com diferentes freqüências de barramento. Por exemplo, entre um processador pentium II de 300 MHz (66 MHz x 4,5) e um pentium II de 333 MHz (66 MHz x 5) há uma diferença de 33 MHz provocada por um aumento do multiplicador, que afeta, embora apenas levemente, o rendimento geral do sistema, já que somente os cálculos e processamentos internos do microprocessador melhoram. Ao contrário, entre um pentium II de 333 MHz (66 MHz x 5) e um pentium II de 350 MHz (100 MHz x 3,5), a diferença é somente de 17 MHz, mas o barramento do sistema tem um fluxo muito maior, o que lhe permite aumentar a velocidade de acesso à memória, à placa gráfica etc. Essas melhoras redundam em desempenhos bem superiores, de modo algum refletidos pelos 17 MHz de diferença.
Obtém-se a freqüência interna do processador aplicando o fator multiplicador à freqüência do barramento do sistema. Todos os processos que ocorrem no interior do microprocessador desenvolvem-se no ritmo definido por sua freqüência interna, empregando a largura de dados do barramento interno.
Desde o aparecimento do processador 80486, o barramento de dados interno e os registradores que ele maneja têm o tamanho de 32 bits. Os registradores, células de armazenamento e suporte internas do processador, são imprescindíveis para a execução de qualquer instrução. Por exemplo, quando o microprocessador precisa efetuar uma soma básica, ele armazena os dados de entrada em dois registradores distintos, para gerar o resultado em um terceiro. Milhões de vezes por segundo o processador executa as instruções simples que compõem um software e que se agrupam nos blocos de rotinas ou seqüências de instruções básicas de que os programas necessitam com freqüência.
Interpretação de Instruções
Para copiar um dado de uma posição de memória para outra, o programa envia ao processador um dado com o código mnemónico do comando Copiar Endereço. O processador o interpreta e se prepara para fazer a cópia, à espera dos dados de que necessita. No ciclo seguinte, recebe um dado com o endereço da memória de destino, que armazena em um registrador (XX). No terceiro ciclo, recebe o endereço de memória em que estão os dados de origem, que ele deve copiar e que armazena em outro registrador (YY). No quarto ciclo, a instrução é executada e o conteúdo do registrador (YY) é copiado no endereço (XX). O processador fica esperando receber, no ciclo seguinte do relógio, outro comando em código mnemónico do programa que está sendo executado.

Nos processadores Pentium,
o cache L2 emprega o barramento do
sistema de 66 MHz para
se comunicar com o
processador, enquanto
nos Pentium II e III ela
está incorporada no
módulo do processador,
com o qual se conecta
à metade da freqüência
interna dele.
A Complicada Linguagem dos Manuais
Quando se consultam as especificações técnicas de um microprocessador como o pentium II ou o Pentium III, além de termos básicos (registrador, barramento, freqüência, cache etc.) encontram-se diversas expressões em Inglês que procuram sintetizar complexos conceitos de informática.
Dinamic Execution/
Execução dinâmica

Técnica inovadora que combina outras três técnicas de processamento, concebida para que o microprocessador gerencie a informação com máxima eficiência. Com a excecução dinâmica tentasse mudar a forma pela qual os dados são interpretados ou acessados. Permite-se uma leitura dinâmica, com saltos de um ponto a outro da informação, com o objetivo de otimizar o processamento.

Multiple Branch Prediction/
Previsão de ramificações múltiplas

Técnica que permite que o microprocessador se antecipe aos saltos ou bifurcações e preveja a situação, na memória, das instruções que vêm a seguir.

Data Flow Analisis/
Análise do fluxo de dados

Após estudar as Instruções decodificadas, o processador as executa numa seqüência otimizada, diferente do modo em que estava estruturado o programa original.

Speculative Execution/
Execução especulativa

Imaginada particularmente para aproveitar as características dos sistemas de múltiplos processadores, essa técnica permite que os diferentes processadores executem as instruções do programa antes de que estas sejam solicitadas pelo fluxo de execução normal.

Dual Independent Bus (DIB)/
Barramento Duplo Independente

Arquitetura presente nos processadores pentium II e Pentium III, formada por dois barramentos que transmitem os dados do processador à memória do sistema. Esses dois barramentos caracterizam-se pelo fato de que podem ser utilizados de forma simultânea.




Barramento de endereços
A informação com os endereços de memória que o processador deve ler, ou nas quais ele deve armazenar informação, transmite-se pelo barramento de endereços. Este não transfere fisicamente a informação entre o processador e os módulos de memória; apenas indica o endereço de memória que deverá receber o próximo dado transmitido pelo barramento de dados. Em função do tipo de microprocessador, o tamanho do barramento de endereços varia e, portanto, varia também a quantidade máxima de memória que ele está capacitado a gerenciar.

Os computadores dotados de processadores 80386 e 80486 incorporam um barramento de endereços de 32 bits. Por tratar-se de um barramento que direciona e controla as posições da informação que a memória armazena ou recupera, os dados que ele transporta indicam posições de memória que, possuindo um tamanho de 32 bits, conseguem alcançar um valor máximo de somente 4.294.967.296 bytes, ou seja, 4 Gygabytes (GB).

Os microprocessadores Pentium PRO, pentium II e Pentium III operam com barramento de endereços de mais capacidade, de 36 bits. Portanto, podem gerenciar endereços de memória de 36 bits de tamanho, que equivalem a 68.719.476.736 bytes, ou 64 GB de memória RAM.


Cache em dois níveis


Quase todos os microprocessadores lançados no mercado nos últimos anos contam com uma memória cache de primeiro nível (também conhecida como cache L1 ou Level 1), que, integrada no processador, varia sua capacidade em função deste. De todo modo, a variação é de poucos Kbytes, que lhe são suficientes para o desempenho de sua função.

A memória cache é uma área pequena de memória, muito rápida, que está incorporada no módulo do microprocessador. Graças a essa localização, a comunicação entre ambos se efetua à freqüência interna do processador. Desse modo, a memória cache torna-se o único elemento do sistema que trabalha efetivamente no ritmo definido pelo microprocessador. Sua função é reter a informação que circula vinda do microprocessador ou dirigida a ele, para minimizar os acessos, geralmente constantes, à memória convencional e reduzir dessa forma os estados de espera.

A memória cache de primeiro nível completa-se com uma memória cache de segundo nível (L2), com capacidade de armazenamento muito maior (entre 256 e 512 KB). Pelo fato de estar situada fora do processador, ela é mais lenta que a cache de primeiro nível. Nos processadores Pentium, a cache L2 emprega o barramento do sistema de 66 MHz para comunicar-se com o processador, enquanto nos Pentium II e Pentium III ela está incorporada no módulo do processador, com o qual se conecta à metade da freqüência interna.

Os Pentium PRO, já fora de catálogo, e os Pentium III Xeon têm integrada a memória cache tanto de primeiro como de segundo nível. Essa característica lhes confere desempenhos muito elevados, mas a um preço também bastante alto, conseqüência das dificuldades de fabricação derivadas de tão grande nível de integração.


Overclocking do processador


O overclocking é uma técnica que consiste em aumentar a freqüência de relógio do microprocessador para, com isso, melhorar seu rendimento. Esse método começou como uma prática ilegal utilizada por alguns distribuidores de PCs clonados de baixa qualidade, que instalavam microprocessadores Pentium de desempenho menor que o anunciado. Tal utilização fraudulenta do overclocking acabou fazendo com que a técnica de forçar a freqüência do microprocessador passasse a ser vista como algo marginal e, conseqüentemente, pouco aceito.

Embora seja possível manipular os processadores pentium II para incrementar sua freqüência, qualquer usuário pode reconhecer facilmente a freqüência real deles. A lntel inscreve na parte superior de todos os seus processadores um número de série que permite identificar a freqüência de funcionamento e o tamanho da memória cache L2.

Forçar a freqüência do relógio do processador é um recurso habitual de usuários experientes, que assim melhoram o desempenho de seus PCs sem que para isso precisem gastar dinheiro.
O Pentium III Xeon é o
sucessor do Pentium
PRO, do qual herdou a
memória cache de
segundo nível integrada
no microprocessador.


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