Cos'è un microprocessore?

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 avvenne 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, bensì ha rappresentato 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. Prodotti 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 dei televisori alla Stazione Spaziale Internazionale.

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.

1. Fetch: il microprocessore preleva (o "richiama") le istruzioni dalla memoria del computer. Il processo di fetching può essere avviato tramite input automatico o manuale.
2. Decodifica: il microprocessore "decodifica" le istruzioni, interpretandole essenzialmente come una richiesta e dando avvio a un processo o calcolo specifici.
3. Esecuzione: il microprocessore esegue l'operazione richiesta o necessaria.
4. Memorizzazione: il risultato dell'esecuzione viene memorizzato 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): questo componente, l'unità logica principale della CPU, 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 una memoria veloce e di piccole dimensioni utilizzata da una CPU per conservare 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 di 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:

• Instruction Set Architecture (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, un componente fondamentale dell'architettura del processore, 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.