▷ Che cos'è un processore e come funziona

Oggi vedremo dell'hardware. Il nostro team è composto da un gran numero di componenti elettronici che insieme sono in grado di archiviare ed elaborare i dati. Il processore, la CPU o l'unità centrale di elaborazione è il suo componente principale. Parleremo di cos'è un processore, quali sono i suoi componenti e come funziona in dettaglio.

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Indice dei contenuti

Che cos'è un processore?

La prima cosa che dovremo definire è ciò che un microprocessore deve sapere tutto il resto. Il microprocessore è il cervello di un computer o di un computer, è costituito da un circuito integrato incapsulato in un chip di silicio costituito da milioni di transistor. La sua funzione è quella di elaborare i dati, controllare il funzionamento di tutti i dispositivi del computer, almeno una grande parte di essi e, cosa più importante, è incaricato di eseguire le operazioni logiche e matematiche.

Se ce ne rendiamo conto, tutti i dati che circolano attraverso la nostra macchina sono impulsi elettrici, costituiti da segnali di uno e zeri chiamati bit. Ognuno di questi segnali è raggruppato in un insieme di bit che compongono istruzioni e programmi. Il microprocessore ha il compito di dare un senso a tutto ciò eseguendo le operazioni di base: SOMMA, SOTTRATTO E AND, OR, MUL, DIV, OPPOSITE E INVERSE. Quindi dobbiamo al microprocessore:

• Decodifica ed esegue le istruzioni dei programmi caricati nella memoria principale del computer. Coordina e controlla tutti i componenti che compongono il computer e le periferiche ad esso collegate, mouse, tastiera, stampante, schermo, ecc.

I processori sono attualmente di solito quadrati o rettangolari e si trovano su un elemento chiamato socket attaccato alla scheda madre. Questo sarà responsabile della distribuzione dei dati tra il processore e il resto degli elementi ad esso collegati.

Architettura di un computer

Nelle sezioni seguenti vedremo l'intera architettura di un processore.

Von Neumann architecture

Dall'invenzione dei microprocessori fino ad oggi, si basano su un'architettura che divide il processore in diversi elementi che vedremo più avanti. Questo si chiama Von Neumann architecture. È un'architettura inventata nel 1945 dal matematico Von Neumann che descrive il design di un computer digitale diviso in una serie di parti o elementi.

Gli attuali processori sono ancora in gran parte basati su questa architettura di base, sebbene logicamente siano stati introdotti numerosi nuovi elementi fino a quando non avremo gli elementi estremamente completi che abbiamo oggi. Possibilità di più numeri sullo stesso chip, elementi di memoria a vari livelli, processore grafico integrato, ecc.

Parti interne di un computer

Le parti di base di un computer secondo questa architettura sono le seguenti:

• Memoria: è l'elemento in cui sono memorizzate le istruzioni eseguite dal computer e i dati su cui operano le istruzioni. Queste istruzioni sono chiamate programma. Central Processing Unit o CPU: è l'elemento che abbiamo precedentemente definito. Ha il compito di elaborare le istruzioni che arrivano dalla memoria Unità di input e output: consente la comunicazione con elementi esterni. Bus dati: sono le tracce, le tracce o i cavi che collegano fisicamente gli elementi precedenti.

Elementi di un microprocessore

Avere definito le parti principali di un computer e aver compreso come le informazioni circolano attraverso di esso.

• Unità di controllo (UC): è l'elemento che si occupa di impartire ordini attraverso segnali di controllo, ad esempio l'orologio. Cerca le istruzioni nella memoria principale e le passa al decodificatore di istruzioni per l'esecuzione. Parti interne:
  1. Clock: genera un'onda quadra per sincronizzare le operazioni del processore Contatore del programma: contiene l'indirizzo di memoria dell'istruzione successiva da eseguire Record istruzioni: contiene l'istruzione che sta attualmente eseguendo Sequencer: genera comandi elementari per l'elaborazione di istruzione. Decodificatore di istruzione (DI): ha il compito di interpretare ed eseguire le istruzioni che arrivano, estraendo il codice operativo dell'istruzione.

• Unità aritmetica logica (ALU): si occupa di eseguire i calcoli aritmetici (SOMMA, SOTTRAZIONE, MOLTIPLICAZIONE, DIVISIONE) e operazioni logiche (AND, OR,…). Parti interne.
  1. Circuito operativo: contengono i multiplexer e i circuiti per eseguire le operazioni. Registri di input: i dati vengono memorizzati e gestiti prima di entrare nel circuito operativo Accumulatore: memorizza i risultati delle operazioni eseguite Registro di stato (Flag): memorizza alcune condizioni che devono essere prese in considerazione nelle operazioni successive.

• Unità a virgola mobile (FPU): questo elemento non era nella progettazione dell'architettura originale, è stato successivamente introdotto quando le istruzioni e i calcoli sono diventati più complessi con l'aspetto dei programmi rappresentati graficamente. Questa unità è responsabile dell'esecuzione di operazioni in virgola mobile, ovvero numeri reali. Record Bank and Cache: i processori di oggi hanno una memoria volatile che collega la RAM alla CPU. Questo è molto più veloce della RAM ed è responsabile dell'accelerazione dell'accesso del microprocessore alla memoria principale.

• Front Side Bus (FSB): noto anche come bus dati, bus principale o bus di sistema. È il percorso o il canale che comunica il microprocessore con la scheda madre, in particolare con il chip chiamato ponte nord o nothbridge. È responsabile del controllo del funzionamento del bus CPU principale, della RAM e delle porte di espansione come PCI-Express. I termini utilizzati per definire questo bus sono "Quick Path Interconnect" per Intel e "Hypertransport" per AMD.

Fonte: sleeperfurniture.co

Fonte: ixbtlabs.com

• Back Side BUS (BSB): questo bus comunica la memoria cache di livello 2 (L2) con il processore, purché non sia integrato nel core della CPU stesso. Attualmente tutti i microprocessori hanno una memoria cache integrata nel chip stesso, quindi anche questo bus fa parte dello stesso chip.

Due o più microprocessori core

Nello stesso processore, non solo avremo questi elementi distribuiti all'interno, ma ora vengono replicati. Avremo diversi core di elaborazione o quelli che sono gli stessi diversi microprocessori all'interno dell'unità. Ognuno di questi avrà la propria cache L1 e L2, normalmente L3 è condivisa tra loro, in coppia o insieme.

Oltre a questo avremo un ALU, UC, DI e FPU per ciascuno dei core, quindi la velocità e la capacità di elaborazione si moltiplicano a seconda del numero di core che ha. Nuovi elementi compaiono anche all'interno dei microprocessori:

• Controller di memoria integrato (IMC): ora con l'aspetto di più core il processore ha un sistema che ti consente di accedere direttamente alla memoria principale. GPU integrata (iGP): la GPU gestisce l'elaborazione grafica. Si tratta principalmente di operazioni a virgola mobile con stringhe di bit ad alta densità, quindi l'elaborazione è molto più complessa dei normali dati di programma. A causa di ciò, ci sono gamme di microprocessori che implementano al loro interno un'unità dedicata esclusivamente all'elaborazione grafica.

Alcuni processori, come AMD Ryzen, non dispongono di una scheda grafica interna. Solo le tue APU?

Funzionamento a microprocessore

Un processore funziona secondo le istruzioni, ognuna di queste istruzioni è un codice binario di una determinata estensione che la CPU è in grado di comprendere.

Un programma, quindi, è un insieme di istruzioni e per eseguirlo deve essere eseguito in sequenza, ovvero eseguendo una di queste istruzioni in ogni fase o periodo di tempo. Per eseguire un'istruzione ci sono diverse fasi:

• Ricerca istruzioni: portiamo le istruzioni dalla memoria al processore Decodifica istruzioni: l'istruzione è divisa in codici più semplici comprensibili dalla CPU Ricerca operata: con l'istruzione caricata nella CPU è necessario trovare l'operatore corrispondente Esecuzione del istruzione: eseguire l'operazione logica o aritmetica necessaria Salvataggio del risultato: il risultato viene memorizzato nella cache

Ogni processore funziona con un certo set di istruzioni, che si sono evolute insieme ai processori. Il nome x86 o x386 si riferisce all'insieme di istruzioni con cui lavora un processore.

Tradizionalmente i processori a 32 bit sono stati anche chiamati x86, questo perché in questa architettura hanno lavorato con questo set di istruzioni dal processore Intel 80386 che è stato il primo a implementare un'architettura a 32 bit.

Questo insieme di istruzioni deve essere aggiornato per funzionare in modo più efficiente e con programmi più complessi. A volte vediamo che nei requisiti per l'esecuzione di un programma arrivano una serie di acronimi come SSE, MMX, ecc. Queste sono le istruzioni che un microprocessore può gestire. Quindi abbiamo:

• SSE (Streaming SIMD Extensions): hanno permesso alle CPU di funzionare con operazioni in virgola mobile. SSE2, SSE3, SSE4, SSE5, ecc.: Diversi aggiornamenti a questo set di istruzioni.

Incompatibilità del processore

Ricordiamo tutti quando un sistema operativo Apple potrebbe essere eseguito su un PC Windows o Linux. Ciò è dovuto al tipo di istruzioni dei diversi processori. Apple ha utilizzato processori PowerPC, che hanno funzionato con istruzioni diverse da Intel e AMD. Pertanto, ci sono diversi progetti di istruzioni:

• CISC (Complex Instruction Set Computer): è quello utilizzato da Intel e AMD, si tratta di utilizzare un insieme di poche istruzioni, ma complesso. Hanno un maggiore consumo di risorse, essendo istruzioni più complete che richiedono diversi cicli di clock. RISC (Reduced Instruction Set Computer): è quello utilizzato da Apple, Motorola, IBM e PowerPC, sono processori più efficienti con più istruzioni, ma meno complessità.

Attualmente entrambi i sistemi operativi sono compatibili perché Intel e AMD implementano una combinazione di architetture nei loro processori.

Processo di esecuzione delle istruzioni

1. Il processore si riavvia quando riceve un segnale RESET, in questo modo il sistema si prepara ricevendo un segnale di clock che determinerà la velocità del processo. Nel registro CP (contatore del programma) l'indirizzo di memoria a cui L'unità di controllo (UC) emette il comando per recuperare l'istruzione che la RAM ha memorizzato nell'indirizzo di memoria che si trova nel CP. Quindi, la RAM invia i dati e li posiziona sul bus dati fino a che è memorizzato nel RI (registro istruzioni) L'UC gestisce il processo e l'istruzione passa al decodificatore (D) per trovare il significato dell'istruzione. Questo poi passa attraverso l'UC per essere eseguito. Una volta che si sa quale sia l'istruzione e quale operazione eseguire, entrambi vengono caricati nei registri di input ALU (REN). L'ALU esegue l'operazione e inserisce il risultato nel bus dati e il CP vengono aggiunti 1 per eseguire le seguenti istruzioni.

Come sapere se un processore è buono

Per sapere se un microprocessore è buono o cattivo, dobbiamo esaminare ciascuno dei suoi componenti interni:

Larghezza del bus

La larghezza di un bus determina la dimensione dei registri che possono circolare attraverso di esso. Questa larghezza deve corrispondere alla dimensione dei registri del processore. In questo modo abbiamo che la larghezza del bus rappresenta il registro più grande che è in grado di trasportare in un'unica operazione.

Direttamente correlata al bus sarà anche la memoria RAM, deve essere in grado di memorizzare ciascuno di questi registri con la larghezza che hanno (questa è chiamata larghezza della parola di memoria).

Ciò che abbiamo attualmente quando la larghezza del bus è di 32 bit o 64 bit, ovvero possiamo trasportare, archiviare ed elaborare simultaneamente catene di 32 o 64 bit. Con 32 bit ciascuno con la possibilità di essere 0 o 1, possiamo indirizzare una quantità di memoria di 2 ³² (4 GB) e con 64 bit 16 MB di Exabyte. Ciò non significa che abbiamo 16 Exabyte di memoria sul nostro computer, ma piuttosto rappresenta la capacità di gestire e utilizzare una certa quantità di memoria. Da qui la famosa limitazione dei sistemi a 32 bit per indirizzare solo 4 GB di memoria.

In breve, più ampio è il bus, maggiore è la capacità di lavoro.

Memoria cache

Questi ricordi sono molto più piccoli della RAM ma molto più veloci. La sua funzione è di memorizzare le istruzioni che verranno appena elaborate o le ultime elaborate. Maggiore è la memoria cache, maggiore è la velocità di transazione che la CPU può prelevare e rilasciare.

Qui dobbiamo essere consapevoli del fatto che tutto ciò che raggiunge il processore proviene dal disco rigido, e si può dire che sia tremendamente più lento della RAM e persino più della memoria cache. È per questo motivo che queste memorie a stato solido sono state progettate per risolvere il grande collo di bottiglia che è il disco rigido.

E ci chiederemo, perché allora non solo producono grandi cache, la risposta è semplice, perché sono molto costose.

Velocità interna del processore

La velocità di Internet è quasi sempre la cosa più sorprendente quando si guarda un processore. "Il processore funziona a 3, 2 GHz", ma cos'è questo? La velocità è la frequenza di clock alla quale funziona il microprocessore. Maggiore è questa velocità, più operazioni per unità di tempo sarà in grado di eseguire. Ciò si traduce in prestazioni più elevate, ecco perché esiste una memoria cache, per accelerare la raccolta dei dati da parte del processore per eseguire sempre il numero massimo di operazioni per unità di tempo.

Questa frequenza di clock è data da un segnale periodico ad onda quadra. Il tempo massimo per eseguire un'operazione è di un periodo. Il periodo è l'inverso della frequenza.

Ma non tutto è velocità. Esistono molti componenti che influenzano la velocità di un processore. Se ad esempio abbiamo un processore a 4 core a 1, 8 GHz e un altro single core a 4, 0 GHz, è sicuro che il quad-core è più veloce.

Velocità del bus

Proprio come la velocità del processore è importante, anche la velocità del bus dati è importante. La scheda madre funziona sempre con una frequenza di clock molto più bassa rispetto al microprocessore, per questo motivo avremo bisogno di un moltiplicatore che regola queste frequenze.

Se ad esempio abbiamo una scheda madre con un bus con una frequenza di clock di 200 MHz, un moltiplicatore 10x raggiungerà una frequenza della CPU di 2 GHz.

microarchitettura

La microarchitettura di un processore determina il numero di transistor per unità di distanza in esso. Questa unità è attualmente misurata in nm (nanometri) più è piccola, maggiore è il numero di transistor che può essere introdotto e, pertanto, è possibile ospitare un numero maggiore di elementi e circuiti integrati.

Ciò influenza direttamente il consumo di energia, i dispositivi più piccoli avranno bisogno di meno flusso di elettroni, quindi sarà necessaria meno energia per svolgere le stesse funzioni di una microarchitettura più grande.

Fonte: intel.es

Raffreddamento dei componenti

A causa dell'enorme velocità raggiunta dalla CPU, il flusso di corrente genera calore. Maggiore è la frequenza e la tensione ci sarà una maggiore generazione di calore, quindi è necessario raffreddare questo componente. Esistono diversi modi per farlo:

• Raffreddamento passivo: mediante dissipatori metallici (rame o alluminio) che aumentano la superficie di contatto con l'aria mediante alette. Raffreddamento attivo: oltre al dissipatore di calore, è presente anche una ventola per fornire un flusso d'aria forzato tra le alette dell'elemento passivo.

• Raffreddamento a liquido: consiste in un circuito costituito da una pompa e un radiatore alettato. L'acqua viene fatta circolare attraverso un blocco situato nella CPU, l'elemento liquido raccoglie il calore generato e lo trasporta al radiatore, che per mezzo della ventilazione forzata dissipa il calore, abbassando nuovamente la temperatura del liquido.

Alcuni processori includono un dissipatore di calore. Normalmente non sono un grosso problema… ma servono per far funzionare il PC e migliorarlo allo stesso tempo

• Raffreddamento tramite Heatpipes: il sistema è costituito da un circuito chiuso di tubi di rame o alluminio riempiti di fluido. Questo fluido raccoglie il calore dalla CPU ed evapora salendo verso la parte superiore del sistema. A questo punto c'è un dissipatore alettato che scambia il calore del fluido dall'interno verso l'aria esterna, in questo modo il fluido si condensa e scende di nuovo al blocco CPU.

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Questo conclude il nostro articolo su cos'è un processore e su come funziona in dettaglio. Speriamo che ti sia piaciuto.