Entendendo os processadores de 64 bits

Publicado em 19/11/2008 – 20:28
por Carlos Morimoto

Processadores de 64 bits não são duas vezes mais rápidos nem processam (necessariamente) o dobro de dados por ciclo de clock. A grande vantagem dos processadores de 64 bits é que eles são capazes de trabalhar com endereços de memória de 64 bits, o que permite endereçar muito mais do que 4 GB de memória RAM. Temos também um aumento no tamanho dos registradores, que passam a armazenar 64 bits de informações, em vez de 32, o que representa um pequeno ganho de desempenho.

Outro benefício (embora menos significativo) é que eles são capazes de processar números inteiros de até 64 bits, ao invés de 32. Isto oferece ganhos de desempenho em algumas áreas específicas (como, por exemplo, softwares de encriptação e alguns aplicativos científicos) mas não ajuda muito nos aplicativos do dia-a-dia. Processadores de 32 bits podem processar números inteiros de 64 bits, mas eles precisam ser divididos em duas instruções separadas, o que naturalmente toma mais tempo.

A primeira tentativa de criar um sucessor de 64 bits para a plataforma x86 veio da Intel, que em 2001 lançou o Itanium, um processador de 64 bits destinado a servidores.

O Itanium quebra a compatibilidade com a família x86, passando a utilizar o IA-64, um novo conjunto de instruções. O plano inicial era popularizar a arquitetura primeiro nos servidores, onde os benefícios de um processador de 64 bits são mais evidentes, e em seguida lançar também versões destinadas a desktops. O problema com o Itanium (além do processador ser muito caro) era que não existiam softwares capazes de se beneficiar da nova plataforma. Ele incluía um sistema de emulação, que permitia rodar softwares de 32 bits, mas neste caso o desempenho era muito ruim.

Ao invés de repetir o mesmo erro da Intel, lançando uma plataforma completamente nova, incompatível com os softwares atuais, a AMD decidiu desenvolver um projeto mais simples, que adicionasse suporte a instruções de 64 bits no Athlon (incluindo novos registradores, suporte a endereços de memória de 64 bits, etc.) sem entretanto quebrar a compatibilidade com os softwares de 32 bits, nem prejudicar o desempenho do processador ao executá-los.

Com isso chegaram a um processador de 64 bits, que desfruta de um número maior de registradores e maior capacidade de endereçamento de memória, mas que é capaz também de rodar aplicativos de 32 bits nativamente, sem perda de desempenho.

Este slide de apresentação da AMD mostra os novos registradores adicionados. Os 8 registradores x86 foram expandidos de 32 para 64 bits e foram adicionados 8 novos registradores de 64 bits, o que resultou em um espaço de armazenamento 4 vezes maior. Foram adicionados ainda 8 novos registradores para instruções SSE ou SSE2, mas neste caso não houve expansão, já que o SSE utiliza registradores de 128 bits:

Novos registradores x86-64

No modo "legacy", o processador funciona como um processador x86 comum, executando instruções de 32 bits e utilizando apenas os registradores padrão. Ao mudar para o modo "long", o processador tem acesso a 16 registradores de 64 bits cada um e passa a suportar as instruções e endereços de memória de 64 bits. O chaveamento entre os dois modos é feito de maneira muito rápida, de forma que o processador pode inclusive rodar aplicativos de 32 bits dentro de um sistema operacional de 64 bits, assim como era possível rodar aplicativos DOS ou Windows 3.x (de 16 bits) dentro do Windows 98 (que já era um sistema de 32 bits).

O conjunto de instruções da AMD foi batizado de x86-64 (e posteriormente renomeado para AMD64) e acabou sendo adotado também pela Intel, na forma do EM64T, um conjunto compatível, incluído sem muito alarde a partir do Pentium 4 com core Prescott. Pela primeira vez na história, a AMD ditou o novo padrão e a Intel se viu obrigada a segui-lo.

Ao utilizar um processador Athlon 64 ou um Intel equipado com o EM64T, existem 3 possibilidades.

A primeira é continuar usando as versões de 32 bits do Windows XP, Vista ou Linux, utilizando apenas aplicativos de 32 bits. Neste modo o processador se beneficia do controlador de memória integrado (no caso dos AMD) e outras melhorias na arquitetura, mas não utiliza os novos registradores, nem é capaz de endereçar mais do que 4 GB de memória nativamente.

A segunda possibilidade é utilizar um sistema operacional de 64 bits, como as versões de 64 bits do XP, Vista e de diversas distribuições Linux. Neste caso você tem um pequeno ganho de desempenho devido ao uso dos novos registradores e o processador passa a suportar mais de 4 GB de memória RAM. A maior parte dos aplicativos não exibe grandes ganhos de desempenho ao serem recompilados para rodarem em modo 64 bits, mas alguns (sobretudo bancos de dados) podem obter 15 ou mesmo 20% de ganho de desempenho em alguns casos.

A grande dificuldade em utilizar um sistema de 64 bits é encontrar versões nativas de todos os aplicativos. Chegamos então à terceira possibilidade, que é rodar um sistema de 64 bits, mas utilizar o modo de compatibilidade para executar aplicativos de 32 bits quando necessário. Neste modo, o sistema operacional precisa de mais memória, pois acaba tendo que manter carregadas muitas bibliotecas e componentes duplicados, mas o desempenho do processador não é prejudicado.

Como vimos, os aplicativos de 32 bits podem utilizar apenas 4 GB de memória (menos na prática, devido à limitações por parte dos sistemas operacionais). Um efeito colateral interessante é que, em um PC com 8 GB de memória, por exemplo, os aplicativos de 32 bits enxergarão e utilizarão apenas os primeiros 4 GB. A memória adicional poderá ser usada pelo sistema operacional e aplicativos de 64 bits, mas não ajudará muito em casos em que os aplicativos de 32 bits sejam os aplicativos principais.

Com relação à memória, os processadores AMD64 são capazes de endereçar até 1 terabyte de memória física, o que corresponde a 40 bits de endereços. Os 64 bits completos não são usados por questões relacionadas ao desempenho, já que não existem módulos e placas que permitam utilizar tanta memória atualmente.

Esta tabela, divulgada pela AMD, mostra os diferentes modos de operação suportados. Note que, além dos três modos que citei (64-Bit mode, que corresponde ao modo de 64 bits nativo; Compatibility Mode, onde são usados aplicativos de 32 bits, sob um sistema operacional de 64 bits e Protected Mode, onde são executados um sistema operacional e aplicativos de 32 bits) existe suporte também ao modo Virtual-8086 e ao Real Mode, que são os modos de legado, também suportados pelos processadores atuais. Neles o processador executa aplicativos de 16 bits, escritos para o DOS ou Windows 3.x:

Modos de operação dos processadores x86-64

Tenha em mente que a migração para os aplicativos de 64 bits é similar à migração dos sistemas operacionais de 16 bits (DOS e Windows 3.x) para os sistemas de 32 bits que ocorreu a partir de 1995. Ela acontecerá de maneira gradual, de forma que daqui a 10 anos ainda estaremos rodando alguns aplicativos de 32, ou mesmo de 16 bits, utilizando o modo de compatibilidade.

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