Microprocessore: Che cos’è e come funziona

Un qualsiasi computer, desktop o portatile, utilizza un microprocessore per fare il suo lavoro. Sostanzialmente, è il cuore di qualsiasi normale computer, sia che si tratti di un PC desktop, di un server o di un portatile. Il microprocessore, noto anche con il nome di CPU (Unità di elaborazione centrale) o semplicemente “processore”, è un motore di calcolo completo, fabbricato su un singolo chip.

Il primo microprocessore della storia era stato l’Intel 4004 nel 1971 e di certo, non era affatto molto potente. Si limitava semplicemente a fare semplici calcoli come aggiungere e sottrarre, e poteva utilizzare soltanto quattro bit alla volta. In questo articolo, vedremo che cos’è un microprocessore e come funziona.

Storia del microprocessore

Il primo microprocessore ad essere presente nei primi computer di casa era stato l’Intel 8080, un computer a 8 bit su un chip nel 1974. Ma il primo microprocessore a fare un vero e proprio salto nel mercato dei computer era stato l’Intel 8088 nel 1979 nei PC IBM apparso per la prima volta intorno al 1982. Negli anni successivi, questi microprocessori erano:

• 80286
• 80386
• 80486
• Pentium
• Pentium II
• Pentium III
• Pentium 4

Tutti questi microprocessori sono stati realizzati da Intel e sono tutti stati miglioramenti nella progettazione di base partendo dell’8088. Il Pentium 4, poteva eseguire qualsiasi pezzo di codice che era in esecuzione sull’8088 originale, ma lo faceva circa cinquemila volte più velocemente. Dal 2004, Intel aveva introdotto microprocessori con più core e milioni di transistor in più.

Molti processori furono reintrodotti sul mercato con velocità di clock più elevate per molti anni dopo la data di rilascio originale. Anche il numero di transistor su un singolo chip è aumentato costantemente nel corso degli anni. La velocità di clock invece, è la velocità massima a cui è possibile eseguire il clock del chip.

I MIPS, sta per “milioni di istruzioni al secondo” ed è una misura approssimativa delle prestazioni di un processore. Le CPU moderne possono fare così tante cose diverse che le classificazioni MIPS perdono molto del loro significato. In generale, esiste una relazione tra velocità di clock e MIPS. La massima velocità di clock è una funzione del processo di produzione e ritardi all’interno del chip.

Calcolo dei microprocessori

Un microprocessore esegue una raccolta di istruzioni che indicano al processore cosa fare. Sulla base delle istruzioni, un microprocessore esegue tre operazioni di base. Usa ALU (Arithmetic Logic Unit) per eseguire operazioni matematiche come addizione, sottrazione, moltiplicazione e divisione. I moderni microprocessori contengono processori in virgola mobile completi in grado di eseguire operazioni estremamente sofisticate su grandi numeri in virgola mobile.

Inoltre, un microprocessore può spostare i dati da una posizione di memoria a un’altra, può prendere decisioni e passare a una nuova serie di istruzioni basate su tali decisioni. Un ALU può normalmente confrontare due numeri per determinare se sono uguali, se uno è maggiore dell’altro e così via.

Il buffer del processore è a tre stati e può passare un 1, uno 0 o può essenzialmente disconnettere la sua uscita. Un buffer a tre stati consente a più uscite di connettersi, ma solo uno può effettivamente guidare un 1 o uno 0 sulla linea. Il registro delle istruzioni e il decodificatore delle istruzioni sono responsabili del controllo di tutti gli altri componenti.

Memoria del microprocessore

In un microprocessore, abbiamo un bus di indirizzo a 8 bit e un bus di dati sempre a 8 bit. Significa che il microprocessore può indirizzare memoria e può leggere o scrivere 8 bit di memoria alla volta. La ROM sta per memoria di sola lettura mentre un chip ROM è programmato con una raccolta permanente di byte preimpostati. Il bus degli indirizzi indica al chip ROM quale byte ottenere e posizionare sul bus dati.

La memoria RAM sta per “memoria ad accesso casuale” e contiene byte di informazioni che il microprocessore può leggere o scrivere. Il problema della RAM è che i dati vengono cancellati quando si spegne il PC, ecco perché il computer ha bisogno della ROM. Quasi tutti i computer contengono una certa quantità di ROM. Su un PC, la ROM è chiamata BIOS (Basic Input Output System).

All’avvio di un computer, inizia l’esecuzione delle istruzioni che si trovano nel BIOS. Queste istruzioni sono operazioni come testare l’hardware nel computer per poi recuperare il settore di avvio che si trova sul nostro dispositivo di archiviazione (Hard-disk o SSD). Questo settore di avvio è un altro piccolo programma e il BIOS lo memorizza nella RAM dopo averlo letto dal disco.

Il microprocessore inizia quindi a eseguire le istruzioni del settore di avvio dalla RAM. Il programma del settore di avvio dirà al microprocessore di recuperare i dati dal dispositivo di archiviazione, ecco come il microprocessore carica ed esegue l’intero sistema operativo.

Prestazioni

Il numero di transistor disponibili in un processore ha un enorme effetto sulle prestazioni. Più transistor consentono anche una tecnologia chiamata pipeline, un’architettura per l’esecuzione delle istruzioni che si sovrappongono. Quindi, anche se potrebbero essere necessari cinque cicli di clock per eseguire ciascuna istruzione, possono essere eseguite contemporaneamente in varie fasi. Molti processori di ultima generazione hanno più decodificatori di istruzioni, ognuno con una propria pipeline. Ciò consente più flussi di istruzioni, il che significa che è possibile completare più di un’istruzione durante ciascun ciclo di clock.

Questa tecnica può essere abbastanza complessa da implementare, quindi richiede molti transistor. Processori a sessantaquattro bit (64 bit) hanno fatto la loro comparsa partendo dal 1992 fino ad oggi. Sia i processori Intel che AMD hanno introdotto chip a 64 bit con registri a 64 bit, bus a 64 bit e così via. I chip a trentadue bit (32 bit) potevano gestire al massimo 4GB di memoria RAM. Un chip a 64 bit invece, non ha nessun limite di gestione della quantità della memoria RAM.

Con un bus di indirizzo a 64 bit e ampi bus dati ad alta velocità sulla scheda madre, i computer a 64 bit offrono anche velocità di input e output più elevate su dispositivi come SSD, hard disk e schede video. Queste funzionalità possono aumentare notevolmente le prestazioni del sistema.

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