Cos’è la CPU e come funziona (Guida Completa)

Il componente più importante di una scheda madre è  il microprocessore, definito anche come CPU (central processing unit). Entrambi i termini però presentano delle differenze:  il microprocessore è l‘oggetto fisico che si trova nel nostro computer e non solo (la maggior parte delle apparecchiature ne possiede uno), mentre la CPU, ovvero l’ unità di elaborazione centrale è soprattutto un concetto logico-funzionale che serve a spiegare il funzionamento sulla gestione dei processi software da parte del processore. La CPU è composta da un insieme di elementi, collegati tra di loro da uno o più bus interni. I bus sono i canali di comunicazione che sono composti da piste elettroniche che permettono lo scambio dati all’ interno di un sistema.I componenti che compongono una CPU  sono:

•  Registri;
• CU (l’unità di controllo);
•  ALU(l’unità aritmetico logica);
•  FPU(l’unità floating point );

REGISTRI

Le informazioni digitali dalla memoria del Pc vengono trasferite  dalla CPU in delle sezioni disponibili al suo interno, che vengono chiamate registri, utilizzati per memorizzare risultati temporanei e informazioni di controllo. La CPU leggendo i valori dei registri, li modifica, se è necessario, a seconda dei calcoli o dalle procedure previste dal programma che sta eseguendo e trasferisce nuovamente nella memoria i valori eleborati e  modificati. Il numero d’ istruzioni è espressa in word. Una word può essere di 8, 16, 32, 64 bit con la misura di questi che va sempre a raddoppiare, quindi è intuibile che la dimensione minima è di 8 bit.

CU (Unità di controllo)

L’unità di controllo ha il compito di coordinare le sequenze delle fasi di esecuzione delle istruzioni. Le istruzioni accedono da un ingresso chiamato data-path e la sua dimensione varia in base al registro che  può essere a 8, 16, 32, 64 bit. Questa sequenza a catena è detta pipeline ed è costitutita dai seguenti livelli:Inizialmente l’ istruzione entra dal data-path e poi passa al primo livello(fetch) e segue tutte la fasi come descritte nello schema . Mentre un’istruzione si trova al primo livello, nel data-path ne viene inserita un’altra. Questo procedimento ripetuto porta a creare una catena ciclica.

ALU (Unità aritmetico logica)

L’unità floating point consente di eseguire operazioni sui numeri reali, traducendoli in linguaggio binario.Questo linguaggio viene definito binario perché non utilizza dieci cifre come il sistema decimale ma bensì due cifre che sono 0 e 1. Essendo un linguaggio semplice è ideale per i circuiti elettronici.

BUS

I bit, che si spostano dai registri e sui quali lavorano l’unità di controllo e la ALU, hanno bisogno di canali attraverso cui viaggiare: i bus.
Il bus è fisicamente composto da linee sulla scheda madre, a cui vengono collegati  i dispositivi del pc.

Esistono due tipologie di bus :

•  Bus di sistema: Possiede un’ampiezza di banda espressa in Mhz, che permette alla CPU di comunicare con i componenti della scheda madre. Questa caratteristica viene indicata anche sulla scheda madre del PC.
• Bus di estensione: Permette ai diversi componenti della scheda madre(USB, seriale, parallela, schede collegate ai connettori PCI, dischi rigidi, lettori e masterizzatori di CD-ROM, ecc.) di comunicare tra loro, ma  permette anche l’aggiunta di altre periferiche, grazie ai connettori detti slot. Ogni componente del pc è collegato ad un bus di controllo, un bus degli indirizzi e un bus dei dati e ad una linea di alimentazione.

Per alcune funzioni, la CPU utilizza delle istruzioni elementari che vengono racchiuse in un microcodice. In base al tipo di microcodice, varia anche  il tempo impiegato per svolgere un’operazione prestabilita.

CACHE

All’interno della CPU ci sono delle memorie ram, detti Static RAM o SRAM. Queste hanno il compito di non far depositare le informazioni da elaborare sui banchi di ram esterni poiché di conseguenza potrebbero provocare un notevole rallentamento delle operazioni.
Le tipologie di cache sono sostanzialmente 3:

INDIRIZZAMENTO DELLA MEMORIA

Spesso le CPU prelevano la memoria anche all’esterno, come sui banchi di ram e gli hard disk. Il bus dei dati permette l’ingresso e l’uscita dei dati elaborati dal microprocessore.
Ad esempio, se il bus dei dati è a 32 bit, consente di trasferire in un’unica operazione 4 byte alla memoria o alle porte di input/output.

Il bus degli indirizzi viene usato dal microprocessore per localizzare i dati immagazzinati in memoria al di fuori del chip stesso.

VELOCITA’ DELLA CPU

La velocità di elaborazione di un processore viene indicata in frequenza di clock. Il clock (oscillatore al quarzo) funziona come un orologio interno: determina il tempo di ciascuna elaborazione ad intervalli regolari. Maggiore è la frequenza con il quale questi segnali vengono generati,  maggiore è la velocità di elaborazione. Se il clock per via di modifiche apportate supera le capacità fisiche del processore, si possono presentare dei malfunzionamenti che porteranno al CRASH del sistema o in casi più gravi alla rottura del processore. La velocità di un processore è misurata in Hertz.

I socket sono gli alloggiamenti nelle schede madri dove risiedono le CPU. Il socket deve essere compatibile anche  con la CPU.

Esistono due tipi di socket:
PGA (Pin Grid Array) – i pin di contatto si trovano alla base della CPU

LGA (Land Grid Array) – i pin di contatto sono direttamente sul socket.

Fino al 2005 esisteva solo il socket di tipo PGA. Il primo socket LGA fu introdotto da Intel con il modello 775 o socket T. Da allora, Intel adoperò solo socket LGA e AMD socket PGA.

DISTINZIONE TRA CORE FISICI E CORE LOGICI

Il core è un’unità fisica di elaborazione, all’interno della CPU. In passato ogni processore possedeva un singolo core, mentre adesso per via dell’ evoluzione tecnologica esistono processori con più core.
Alcune unità di elaborazione vengono duplicate tramite la tecnologia Hyper Threading. Quest’ultima permette di eseguire parallelamente specifiche istruzioni che prendono il nome di thread.

In questo modo il sistema operativo rileverà una cpu con più core, non distinguendo quali siano quelli fisici o quelli logici. Ad esempio, la serie i3 è costituita da CPU dual core, ovvero è composta da CPU con due core fisici, ciascuno dei quali implementa anche un core logico.

Le prestazioni nelle applicazioni multi-thread sono ovviamente superiori ad una cpu dual core, ma inferiori ad una CPU con quattro core fisici.

THERMAL DESIGN POWER

Il Thermal Design Power è quel parametro che indica il calore dissipato da un processore che si dovrà tenere sotto controllo, onde evitare di far alzare la temperatura del processore oltre la soglia massima. L’unità di misura utilizzata è Watt.