MZ Editora

Continuando o estudo dos artigos anteriores, neste artigo exporemos a arquitetura de 64 bits da AMD. Ao longo dos últimos quatro meses, vimos o surgimento dos computadores, dos microcomputadores e a consolidação dos seus princípios fundamentais. Em seguida, estudamos como esses princípios evoluíram para o processamento paralelo e os novos problemas que daí surgiram. De posse dessas idéias, pudemos melhor compreender a complexidade das modernas máquinas de alto desempenho. Constatamos também que o processamento paralelo não está limitado às máquinas sofisticadas, mas é empregado em diversos processadores. Mesmo nossos “velhos” PCs-Pentium fazem uso de um paralelismo, mas a nível de instrução, ou seja, executam mais de uma instrução por vez. Agora, neste artigo e no próximo, abordaremos os processadores de 64 bits que irão impulsionar nossos próximos computadores pessoais. Os projetos da Intel e AMD são inovadores e, se as promessas forem cumpridas, em menos de um ano deverão estar nas prateleiras das lojas. Essas novas arquiteturas prometem levar o paralelismo ainda mais longe, fornecendo mecanismos para que os compiladores passem para as CPUs não só as instruções arrumadas de forma eficiente, mas principalmente como e quais podem ser executadas em paralelo. Quando se fala de CPUs de 64 bits, é importante elucidar uma certa confusão que se faz com processadores atuais. Devemos ter claro que todos os atuais processadores, Intel ou AMD, são CPUs de 32 bits. O Pentium 4 ou o Athlon têm barramento de dados de 64 bits, porém a arquitetura da CPU é de 32 bits. Neste artigo, vamos ver o que a AMD está planejando para a sua arquitetura de 64 bits. No mês que vem, será a vez da Intel. Arquitetura x86-64 da AMD Iniciamos com uma pergunta: como fazer a transição das CPUs de 32 bits para 64 bits? A AMD está respondendo a esta pergunta com uma arquitetura que, além do ambiente 64 bits, promete compatibilidade com todos os programas desenvolvidos para 16 e 32 bits. O objetivo é oferecer um caminho de baixo custo para que os usuários façam essa transição de forma bastante suave. Com uma arquitetura compatível com o mundo x86, os fabricantes de placas, de software e os usuários podem gerenciar mais facilmente seus investimentos. A ideia é oferecer uma ponte segura para a transição de 32 para 64 bits. A computação de 64 bits está voltada para aplicações que têm uma grande “fome” por memória, como as grandes bases de dados, as ferramentas CAD e as simulações que, de acordo com os recursos atuais, estão limitadas pelo espaço de endereçamento de 4 GB. Até há pouco tempo, dizia-se que as CPUs RISC ultrapassariam de forma definitiva as arquiteturas CISC. Porém, isso não aconteceu e as atuais máquinas CISC se equiparam às RISC, em termos de operações com inteiros, e já diminuíram bastante desvantagem que tinham em operações com ponto-flutuante. Por isso, afirma a AMD, os próximos ganhos de desempenho terão mais a ver com as técnicas de implementação (ex: paralelismo) do que com o conjunto de instruções: RISC, CISC-64 ou VLIW. Na verdade, há um certo abuso com esses nomes, pois as atuais CPUs x86 só têm uma casca CISC, sendo seu núcleo formado por máquinas RISC. A AMD está denominando sua nova arquitetura de “x86-64” e ela será iniciada com uma família de processadores que tem o nome código “Hammer”. As promessas apontam para a comercialização ainda no final deste ano. A estratégia de 64 bits da AMD é a extensão das atuais CPUs x86 para trabalharem em 64 bits, com a introdução do chamado Modo Longo. Essa solução é segura pois já foi empregada por ocasião da transição de 16 bits (CPUs 8088 e 286) para 32 bits (CPUs 386 e diante). Desde há muito tempo, as CPUs de 32 bits operam em dois modos. Quando em modo real, elas ficam iguais ao antigo 8088, porém, quando em modo protegido, elas oferecem recursos de 32 bits, junto com gerenciadores de tarefas e de memória. A arquitetura x86-64 oferece um novo modo denominado “Modo Longo”, em inglês “long mode”, que serve para colocar a CPU operando a 64 bits. Quando em Modo Longo, além dos recursos de 64 bits, são oferecidos registradores estendidos para 64 bits e, além disso, novos registradores foram adicionados. Passemos ao estudo desse novo modo. O Modo Longo é ativado através de um bit de controle chamado LMA, do inglês “Long Mode Active”. Quando o LMA estiver desativado, o processador operará no modo padrão x86 e será compatível com os sistemas operacionais e aplicativos de 16 e 32 bits, ou seja, será compatível com tudo que existe nos dias de hoje. Quando o LMA for ativado (Modo Longo), a extensão de 64 bits estará habilitada, oferecendo uma nova CPU de 64 bits. O Modo Longo é ainda dividido em dois submodos: o Modo 64-bits e o Modo Compatível. Esses dois submodos são controlados pelos bits D e L, presentes no descritor apontado pelo registrador CS (Segmento de Código). O Modo Compatível é interessante porque permite que, a nível de programa, se rodem aplicativos de 16 ou 32 bits dentro do Modo 64-bits. É algo semelhante ao modo virtual 86 dos processadores 386. A Figura 1 apresenta um quadro explicativo desses modos. Figura 1: Modos de operação da família x86-64. O antigo modo x86 (32 ou 16 bits) é denominado Modo Legal (LMA=0). Quando nesse modo, as CPUs x86-64 podem trabalhar com dados de 16 ou 32 bits. Note que, quando nesse modo, o estado do bit CS.L não tem significado, ou seja, ele é um “don’t care”. Quando colocado em Modo Longo 64-bits (LMA=1, CS.L=1 e CS.D=0), o tamanho padrão do operando é de 32 bits e o tamanho padrão para o endereçamento é de 64 bits. Com o uso de prefixos de instrução, o tamanho do operando pode ser alterado para 64 ou 16 bits e o tamanho do endereço para 32 bits. Se colocado no Modo Longo Compatível (LMA=1 e CS.L=0), passa a existir a compatibilidade binária com as aplicações escritas em 16 e 32 bits x86. Isso é interessante, pois um sistema operacional em Modo Longo pode rodar os atuais programas de 16 e 32 bits apenas colocando em zero o bit CS.L do descritor apontado pelo segmento de código desses aplicativos. No submodo Compatível, o bit CS.D continua a selecionar entre os modos de 16 e 32 bits. Deve ainda ser notado que, quando o processador está no Modo Legal, o estado do bit CS.L não tem significado, ou seja, é um “don’t care”. A Figura 2 apresenta os detalhes de programação dessa nova arquitetura. Figura 2: Características de programação da arquitetura x86-64 da AMD. Vamos agora dar uma olhada mais cuidadosa no Modo Longo. Como já foi visto, o Modo Longo permite o uso dos recursos de 64 bits, ao mesmo tempo que oferece o submodo Compatível para rodar aplicações de 16 ou 32 bits. Esse modo traz uma grande quantidade de recursos, que estão listados a seguir: Endereçamento virtual de 64 bits; Registradores estendidos para 64 bits; Adição de 8 registradores (R8-R15); Adição de 8 registradores para SIMD (XMM8-XMM15); Ponteiro de instruções com 64 bits; Modo de endereçamento absoluto (“flat”). A adição de novos registradores para operações SIMD torna disponível um total de 16 registradores multimídia. Os novos registradores de finalidade geral vêm a diminuir um pouco uma das deficiências da arquitetura x86, que é a pequena quantidade de registradores. Para definir sua lógica de registradores, a AMD simplesmente estendeu o esquema usado para os registradores de 16 e 32 bits. Assim, continua sendo possível acessar de forma fracionada os registradores herdados do antigo 8086. Por exemplo, o registrador RAX pode ser acessado como um único bloco de 64 bits, mas também é possível acessar somente sua metade inferior através do registrador EAX. Além disso, também está acessível uma porção de 16 bits (AX) e duas porções de 8 bits (AH e AL). É claro que AX é formado pela justaposição dos registradores AH com AL. Assim é mantida toda compatibilidade com os antigos ambientes x86. A Figura 3 ilustra esses possíveis fracionamentos. Figura 3: Esquema de fracionamento dos registradores herdados da arquitetura x86-64. Os avanços da tecnologia de integração e o aumento de velocidade do relógio deverão possibilitar um maior desempenho destas CPUs, mesmo quando operando no Modo Legal. Com essa arquitetura, a AMD espera oferecer um caminho tranqüilo para a transição de 32 para 64 bits. No passado, uma transição não tão tranqüila, devido ao novo modelo de memória, permitiu uma evolução dos 16 bits (8086 e 286) para os 32 bits (386 em diante). A AMD aposta que, ao invés de mudar completamente a arquitetura, o sucesso estará com quem mantiver a compatibilidade.

O tempo em que se especulava sobre o sucesso do DVD já passou. Tendo provado seu valor como uma mídia de alta qualidade para a distribuição de vídeo e multimídia, o DVD agora avança sobre o mercado de alta capacidade de armazenamento, com técnicas inovadoras na gravação bem como na tecnologia de regravação. No início, o foco de interesse da indústria estava voltado às aplicações de vídeo. O sucesso do lançamento de vídeos em discos com 4.7 GB de capacidade foi prematuramente antecipado, sendo a qualidade do mesmo comparada com os discos laser e com a transmissão de televisão. Entretanto, de forma análoga ao que ocorre com toda nova tecnologia, vários foram os obstáculos pelos quais o DVD teve de passar até amadurecer e ganhar o espaço de mercado que hoje tem. Os primeiros DVD-5 produzidos foram testados em vários modelos de equipamentos, de diferentes fabricantes, e apresentaram alguns problemas relacionados com a qualidade de vídeo bem como com os leitores das mídias. Isto foi decisivo para que o processo de fabricação dos discos fosse melhorado de forma que se obtivesse uma maior qualidade a um menor custo. Ao mesmo tempo, os fabricantes de equipamentos delineavam os padrões de compatibilidade para os equipamentos. à medida que as melhorias eram implementadas, a expectativa de utilizarem-se CDs para armazenamento de informação de vídeo foi perdendo a força e o DVD começou a tornar-se um outro padrão de armazenamento, cujas versões estão mostradas na Figura 2. Com o crescente aumento de demanda, não demorou muito tempo para que os 4,7 GB não fossem suficientes para atender às aplicações multimídia. Mas o DVD Fórum, segmento da indústria responsável pela normatização, já havia previsto uma padronização para a família de produtos DVD: DVD-9 e DVD-10. Com 9,4 GB de capacidade de armazenamento, o DVD-10, que na prática corresponde a nada mais que dois DVD-5 fundidos, tornou-se a solução mais simples. Com a produção do DVD-5 já refinada, o processo de fusão usado para colocar dois discos unidos face à face não necessitou de considerações especiais. Entretanto, sob o ponto de vista da distribuição em massa, o DVD-10 é problemático. O disco não oferece qualquer face para que sejam colocadas identificações ou mesmo estampas decorativas. Além disto, a maioria dos leitores de DVDs dos consumidores contém somente uma cabeça de leitura ótica, o que os obriga a tirarem o disco do leitor e virarem a face de leitura. Esta deficiência compromete seriamente o produto pois nenhum usuário de títulos em DVD, consumidores vorazes de tecnologia, desejam ter preocupação com este tipo de detalhe. Por outro lado, o DVD-9 oferece 8,5 GB em uma única face de disco. Isto é possível ao fundirem-se dois discos cujas faces se encontram voltadas para o mesmo lado. O processo, que é extremamente difícil de ser produzido e requer que uma camada (ou "layer") semi-reflexiva seja fundida à outra camada reflexiva. Desta forma, o laser do leitor ótico realiza primeiro a leitura da camada mais externa do disco e, então, atravessa o material fundido chegando até os dados impressos na camada mais interna. Como observado na figura 1, para que seja lida a informação da camada #1, é necessário interpretar o laser que percorreu o trajeto ("a", "d"), enquanto que a informação da camada #2 vem do feixe laser que atravessou a camada #1, ou seja, que percorreu ("a", "b", "c", "d"). Aparentemente, parece estranho que se possa recuperar as duas informações das duas camadas, que não são correlacionadas, ao mesmo tempo. Contudo, a geometria dos discos é constituída por um processo tal que permita a implementação de detetores em quadratura, graças à diferença de fase estrategicamente calculada introduzida pelo espaçamento entre as camadas. Figura 1: Esquema de camadas nos discos DVD. As vantagens do DVD-9 possuem um preço. Somente alguns replicadores de disco podem produzir discos em tempo adequado e a um custo razoável. O custo de produção de um DVD-9 é cerca de US$1 à US$1,50, maior que o custo de um DVD-5. Além disto, soma-se o valor do elevado custo de edição das duas camadas, que é o fato preponderante para o sincronismo na leitura dos dados. Quando o DVD foi apresentado ao mercado, uma grande família de discos foi definida, abrangendo desde o DVD-5 até o DVD-18, cada um oferecendo um acréscimo significativo na capacidade de armazenamento e no número de camadas no disco. Para uma comparação entre os diversos formatos veja a tabela da Figura 2. A Warner Advanced Media Operations (WAMO) já está testando o processo de produção de DVD-14/18. De fato, a WAMO é o primeiro fabricante a anunciar a produção de DVD-18, o DVD de dupla face e dupla camada, que culminará nos 17GB de capacidade de armazenamento, prometidos para o final de ano. Ela também pretende oferecer o DVD-14, um híbrido entre o DVD-9 e o DVD-5. Tipo face/no. camadas Capacidade (GB) Capacidade (CDs) DVD-5 simples / 1 4,7 7 DVD-9 simples / 2 8,5 13 DVD-10 dupla / 1 9,4 14 DVD-14 dupla / 1 (numa face) e 2 (na outra) 13,2 20 DVD-18 dupla / 2 17 26 Figura 2: Padrões de discos DVD comerciais. O DVD permite que o áudio digital seja gravado a uma taxa de amostragem de até 96 kHz, com resolução de 24 bits, valores estes exageradamente superiores aos 44,1 kHz e aos 16 bits do CD. Essa qualidade antes era somente atingida nos modernos estúdios de gravação digital. Além disso, o áudio pode ser gravado no padrão AC-3 que, em vez de dois canais (direito e esquerdo), reserva seis canais: esquerdo frontal, direito frontal, esquerdo traseiro, direito traseiro, central e um canal exclusivo para "subwoofers" (sons extremamente graves). Este padrão foi desenvolvido para atender a filmes e a transmissões de áudio da HDTV (televisão de alta resolução). Para vídeo, o DVD apresenta diversas opções muito interessantes: oito opções de dublagem, 32 opções de legenda e 5 opções de formato de tela; tudo isto com um detalhe: utilizando áudio AC-3. A resolução do DVD é de 500 linhas, o dobro da resolução do vídeo-cassete tradicional. É importante lembrar que o DVD é um sistema digital de acesso aleatório, ao contrário do vídeo-cassete, que é um sistema analógico de acesso sequencial. Na prática, não é só o fato de a qualidade de áudio e vídeo serem muito superiores, já que a procura por um determinado trecho de filme é quase instantânea, não existindo a necessidade de "rebobinar o filme". Além disso, o DVD não gasta com o tempo e a qualidade da reprodução não é afetada com o uso. O DVD-5 foi originalmente desenvolvido para armazenar filmes de 135 minutos. Utilizando a compressão MPEG-2, uma imagem em movimento requer 3500 Kbps. Já o áudio, gravado no padrão AC-3, requer mais 384 Kbps. Conforme a WAMO, o valor superdimensionado para as faixas adicionais de legenda e para a dublagem em diferentes idiomas é de aproximadamente 807 Kbps. Consolidando estes valores, constatamos que são necessários 4,75 GB. Mas, como é possível que um disco com as mesmas dimensões das de um CD tenha 7 vezes a capacidade de um CD ? Basicamente, tornando os elementos de dados menores. O espaçamento entre as trilhas (em espiral) reduziu de 1,6 mícrons para 0,74 mícrons. Já o menor tamanho do dado que pode ser impresso na superfície do disco reduziu de 0,83 para 0,40 mícrons. O comprimento de onda (780 nanometros) do laser de leitores de CD ainda era grande para ler estas trilhas. Assim, os leitores de DVD utilizam um laser que produz um feixe luminoso com comprimento de onda de 640 nanometros. Esta configuração de comprimento de onda exige que a camada plástica protetora do disco seja mais fina, de tal forma que o laser não precise atravessar um meio tão espesso para chegar ao layer de dados. Por esse motivo, o disco de DVD teria apenas metade dos 1,2 mm de espessura do CD. No caso do DVD-5, um outro disco de 0,6 mm é colado ao DVD para manter a mesma espessura original do CD. Entretanto, apesar dos 4,7 GB fornecerem uma enorme capacidade de armazenamento, por que não aumentar ainda mais este valor ? Por exemplo, ao invés de colar um disco vazio ao DVD, pode-se colar um outro disco de dados ao DVD, mantendo a mesma espessura do CD e dobrando a capacidade de armazenamento do DVD-5. Alguns filmes em DVD já se aproveitam desta vantagem, colocando uma versão de um filme formatado para uma TV normal ou mesmo um monitor de computador, em um lado, e, no outro, uma versão formatada para as telas mais largas como no padrão dos cinemas. A indústria cinematográfica dividiu o mundo em um conjunto de seis regiões geográficas. A razão para esta divisão é permitir o controle do lançamento de filmes e home-vídeos em diferentes partes do mundo em diferentes épocas. Um filme, por exemplo, pode ser lançado na Europa e depois nos Estados Unidos, coincidindo com o lançamento do home-vídeo no Estados Unidos. Nessa situação, teme-se que cópias de discos DVD atinjam o mercado europeu prejudicando a arrecadação das bilheterias. Desta forma, é dado ao leitor de DVD um código de região na qual ele foi vendido. O aparelho não disponibilizará o conteúdo dos discos em regiões nas quais ele não é autorizado. Os discos comprados em uma certa região, como por exemplo o Japão, podem não funcionar em leitores comprados por exemplo no Brasil. Uma outra subdivisão de áreas também ocorre devido aos diferentes padrões de vídeo adotados por cada país. Por exemplo, o Japão está situado na região 2 mas usa o padrão NTSC que é compatível com os Estados Unidos (região 1). A Europa, por sua vez, também está situada na região 2 mas utiliza o padrão PAL, que não é compatível com o NTSC. A opção por incluir ou não um código de região a um disco DVD pertence ao estúdio ou ao distribuidor dos títulos. Entretanto, se seu disco não possuir código, então ele poderá ser reproduzido em qualquer parte do mundo. Alguns discos têm sido lançados sem código, mas, até o momento, nenhum destes lançamentos pertencem aos grandes estúdios. Muitos destes grandes estúdios pretendem laçar cópias sem código, contanto que não haja conflito entre este lançamento e a arrecadação das bilheterias. As 6 regiões citadas são compostas por: 1. Canadá e Estados Unidos 2. Japão, Europa, África do Sul, Oriente Médio (incluindo Egito) 3. Sudeste e Leste da Ásia (incluindo Hong Kong) 4. Austrália, Nova Zelândia, Ilhas do Pacífico, América Central, América do Sul, Caribe 5. Antiga União Soviética, Índia, África, Coreia do Norte e Mongólia 6. China Alguns leitores são fabricados para que possam ser facilmente modificados pelos consumidores para reproduzirem vídeos com quaisquer códigos. Existe também um mercado negro bastante ativo que fornece leitores com modificações nos circuitos eletrônicos que despistam os códigos de regiões. Os sistemas de DVD-ROM aplicam o código de região somente aos discos de vídeo em DVD e não para os discos contendo software. Muitos dos leitores de DVD-ROM de computadores permitem mudar através de software o código da região, até que, após sucessivas trocas, este se torne permanente. Também neste caso, já existe um mercado negro de softwares que manipulam estes códigos. Para encerrar, existem as denominações DVD-R, DVD-RAM, DVD+RW e DIVX, explicadas na Figura 3. DVD-R Disco DVD que pode ser gravado por uma única vez DVD-RAM Primeira especificação para um disco de DVD que pode ser regravável (capacidade de 2,6 GB por lado) DVD+RW Especificação de disco DVD regravável feita pela Sony, HP e Phillips (capacidade de 3 GB por lado) DIVX Disco DVD com o atributo "per-per-view". O drive para este disco inclui um modem que se comunica com uma central de cobrança. Figura 3: Denominações de discos DVD.