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Cos'è un microprocessore?
Pubblicato: 10 giugno 2024
Autori: Josh Schneider, Ian Smalley
Un microprocessore è il tipo predominante di processore informatico moderno. Combina i componenti e le funzioni di un'unità di elaborazione centrale (CPU) in un singolo circuito integrato (IC) o in alcuni circuiti integrati collegati.
Come le CPU, i microprocessori sono comunemente considerati il "cervello" del computer. A differenza delle CPU tradizionali, i microprocessori integrano i circuiti aritmetici, logici e di controllo delle CPU più tradizionali in un unico circuito digitale multiuso, guidato da un clock e basato sui registri.
Sebbene i termini CPU e microprocessore siano spesso usati in modo intercambiabile, un microprocessore è essenzialmente una CPU "tutto in uno" su un singolo chip. Questo design a chip singolo riduce il numero di connessioni elettriche vulnerabili, migliorando l'affidabilità grazie alla riduzione dei potenziali punti di guasto. Per questo motivo, i microprocessori hanno quasi completamente sostituito le CPU tradizionali, multicomponente.
Prima della comparsa dei microprocessori, i computer utilizzavano dei rack di circuiti integrati per svolgere le principali funzioni informatiche. Nel 1971 si verificò un cambiamento significativo nella tecnologia informatica con l'introduzione dell'Intel 4004, il primo microprocessore disponibile in commercio. Questo dispositivo rivoluzionario, progettato da Federico Faggin, non è stato solo una risposta alla richiesta di 12 microchip personalizzati per una calcolatrice da parte del produttore giapponese di elettronica Busicom. È stato un momento epocale che ha rivoluzionato il modo in cui pensiamo all'informatica, poiché Intel, invece di produrre 12 chip singoli, ha creato un dispositivo logico generico.
Sottodimensionata rispetto agli standard odierni, l'architettura dell'Intel 4004 funzionava a una velocità di clock di 740 kHz e poteva elaborare solo flussi di dati con un massimo di 4 bit, un'unità elementare nota anche come "nibble". Sebbene la sua potenza non sia paragonabile a quella dei moderni microprocessori da 8 bit a 64 bit, il 4004 è universalmente considerato una svolta rivoluzionaria nei circuiti. Come previsto dalla legge di Moore, il rapido sviluppo della tecnologia dei semiconduttori ha portato a notevoli miglioramenti nella potenza di elaborazione. Realizzati da fornitori leader, come Intel e Pentium, e utilizzati da tutte le principali aziende tecnologiche, come IBM, Microsoft e Apple, i microprocessori alimentano migliaia di sistemi e applicazioni, dai telecomandi TV alla Stazione Spaziale Internazionale.
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I microprocessori moderni combinano milioni di piccoli transistor, resistenze e diodi assemblati su un materiale semiconduttore per creare i componenti chiave di una CPU. Questi componenti sono disposti in vari tipi di architettura informatica unica per eseguire calcoli e istruzioni. Le funzioni di un microprocessore medio possono essere suddivise in quattro fasi principali.
Passaggi chiave del microprocessore
- Prelievo: il microprocessore preleva (o "richiama") le istruzioni dalla memoria del computer. Il processo di prelievo può essere avviato tramite input automatico o manuale.
- Decodifica: il microprocessore "decodifica" le istruzioni, essenzialmente interpretando l'input o il comando in una richiesta e avviando un processo o un calcolo specifico.
- Esecuzione: in sintesi, il microprocessore esegue l'operazione necessaria o richiesta.
- Memorizzazione: il risultato dell'esecuzione viene impegnato nella memoria del computer.
I microprocessori possono completare questi processi combinando i componenti principali di una CPU in un singolo circuito. I componenti chiave di un microprocessore sono i seguenti:
- Unità logica aritmetica (ALU): unità logica principale della CPU, questo componente esegue operazioni logiche, inclusi calcoli matematici e confronti di dati.
- Unità di controllo (CU): il circuito CU interpreta le istruzioni e ne avvia l'esecuzione, dirigendo le operazioni di base del processore.
- Registri: i registri forniscono uno storage veloce di ridotte dimensioni utilizzato da una CPU per contenere temporaneamente dati e istruzioni durante i processi computazionali.
- Memoria cache: i microprocessori e le CPU utilizzano la memoria cache, una forma di memoria ad alta velocità situata accanto alla CPU, per memorizzare i dati a cui si accede di frequente per accelerare le prestazioni.
- Bus e interfacce bus: le interfacce bus forniscono punti di ingresso e uscita per i dati che viaggiano attraverso vari gruppi di cavi (denominati bus), come il bus di indirizzi o il bus dati. I bus e le interfacce collegano fisicamente diversi componenti interni, abilitando e facilitando la comunicazione all'interno della CPU e di altre periferiche come le unità di input/output (I/O).
- Transistor: uno dei principali elementi costitutivi dei circuiti integrati, i transistor sono piccoli semiconduttori che regolano, amplificano e generano correnti e segnali elettrici. Possono anche funzionare come semplici interruttori o essere combinati per formare porte logiche. Il numero di transistor è un indicatore comune della potenza di un microprocessore.
- Core del processore: le singole unità di elaborazione all'interno dei microprocessori sono note come core. I processori moderni incorporano spesso più core (dual-core, quad-core) che consentono l'elaborazione parallela per l'esecuzione di più attività contemporaneamente.
- Clock: sebbene non tutti i microprocessori contengano un clock interno, sono tutti azionati da un clock. Alcuni si affidano a chip di clock esterni, noti per una maggiore precisione. Che sia interno o esterno, il ciclo di clock di un microprocessore determina la frequenza con cui eseguirà i comandi. Le velocità di clock moderne si misurano in megahertz (MHz) e gigahertz (GHz).
L'architettura di un microprocessore si riferisce a varie metodologie di progettazione e organizzazione dei diversi componenti della CPU del processore. Questi sono gli elementi architettonici chiave di un microprocessore:
- Architettura di set di istruzioni (ISA): l'ISA del microprocessore definisce il set di istruzioni che il processore può eseguire. Le ISA, come le architetture RISC (Reduced Instruction Set Computer) e CISC (Complex Instruction Set Computer) forniscono vari metodi per il trattamento dei dati, offrendo diversi livelli di prestazioni, affidabilità e velocità adatti a diversi tipi di applicazioni.
- Percorso dati: il percorso dei dati di un microprocessore determina l'ordine in cui i dati si spostano attraverso i componenti del microprocessore (bus, ALU, registri), influenzando le prestazioni complessive.
- Percorso di controllo: analogamente al percorso dei dati, l'elemento del percorso di controllo dell'architettura di un microprocessore istruisce la sequenza delle operazioni e gestisce la trasmissione dei dati all'interno della CPU.
- Gerarchia della memoria: la gerarchia della memoria è un componente fondamentale dell'architettura del processore, che fornisce una struttura per diversi livelli di memoria (cache, registri, RAM) per ottimizzare l'accesso efficiente e la velocità di recupero dei dati.
I microprocessori variano in termini di potenza, prestazioni, metodologie di architettura, dimensioni, consumo energetico e molte altre variabili e sono progettati per tutti i tipi di applicazioni. I microprocessori per uso generico sono comuni nei personal computer e nei dispositivi mobili, mentre le unità specializzate ad alte prestazioni come i processori di segnale digitale (DSP) sono progettate per attività impegnative come l'elaborazione di audio, voce, video e immagini.
Di seguito sono riportati alcuni dei principali tipi di microprocessori.
Questi microprocessori versatili sono presenti in un'ampia gamma di applicazioni e dispositivi comuni, come laptop e server.
Sebbene sia più preciso affermare che i microcontrollori contengono microprocessori, questi tipi di chip presentano anche tutti i componenti aggiuntivi necessari per un computer funzionante, vale a dire una memoria integrata. I microcontrollori funzionano come i microcomputer e vengono preferiti per il controllo di elementi specifici all'interno di sistemi informatici embedded. I microcontrollori di piccole dimensioni e a basso consumo non richiedono sistemi operativi complessi per funzionare e sono comunemente utilizzati nel settore automobilistico per ottimizzare le unità di controllo del motore (ECU), i sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) e le unità di infotainment, nonché una vasta gamma di dispositivi elettronici di consumo, fino all'automazione industriale.
I DSP sono specializzati per calcoli numerici ad alta velocità e sono spesso utilizzati per attività impegnative come l'elaborazione audio, le telecomunicazioni e l'elaborazione delle immagini. Inoltre, si potrebbero trovare in applicazioni che richiedono l'interpretazione di segnali analogici e digitali, come i sensori meteorologici. I DSP sono comunemente utilizzati in applicazioni militari, come i droni di sorveglianza e altri velivoli autonomi.
I microprocessori ASIC sono progettati per compiti specifici e sono personalizzati per soddisfare le esigenze specifiche di varie applicazioni. Alcuni esempi di microprocessori ASIC includono chip personalizzati per console di gioco o mining di criptovalute. Anche i DSP, le GPU e altri tipi di microprocessori specializzati sono tecnicamente ASIC.
I microprocessori GPU sono appositamente progettati per l'impegnativo compito di renderizzare video e grafica digitali che richiedono prestazioni ad alta potenza ed elaborazione parallela. Di fondamentale importanza per i giochi di fascia alta, i potenti microprocessori GPU sono comunemente usati anche nel mining di criptovalute e sono noti per l'elevato consumo energetico.
Un tipo di microprocessore ASIC specificamente ottimizzato per l'elaborazione dei pacchetti di dati di rete più frequentemente utilizzati negli switch, nei router e nei dispositivi di sicurezza di rete per le telecomunicazioni.
I coprocessori, come le unità a virgola mobile (FPU), sono progettati per fornire supporto ausiliario alla CPU principale di un sistema per aumentare le prestazioni durante determinate attività impegnative, come l'esecuzione di calcoli scientifici avanzati o complicate formule matematiche.
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Risorse
Un’unità di elaborazione centrale (CPU) è il componente funzionale principale di un computer. La CPU è un insieme di circuiti elettronici che eseguono il sistema operativo e le applicazioni di un computer e gestiscono una varietà di altre operazioni del computer.
"Data storage" si riferisce alla registrazione e conservazione di informazioni digitali su supporti magnetici, ottici o meccanici per operazioni in corso o future.
Un’unità microcontrollore (MCU) è essenzialmente un piccolo computer su un singolo chip. È progettato per gestire attività specifiche all’interno di un sistema integrato senza richiedere un sistema operativo complesso.
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Gli FPGA (Field Programmable Gate Array) e le unità microcontrollori (MCU) sono due tipi di circuiti integrati (IC) comunemente confrontati che vengono tipicamente utilizzati nei sistemi integrati e nella progettazione digitale. Sia gli FPGA che i microcontrollori possono essere considerati "piccoli computer" integrabili in dispositivi e sistemi più grandi.
Un’unità di elaborazione grafica, nota anche come unità di elaborazione grafica o GPU, è un circuito elettronico progettato per accelerare la grafica del computer e l’elaborazione delle immagini su vari dispositivi, tra cui schede video, schede madre, telefoni cellulari e personal computer (PC).
