Che cos’è la CPU? Come funziona?

Molti di voi già sapranno che il microprocessore è una delle parti hardware principali di un computer, ma nello specifico: 

Che cos’è la CPU? Come funziona?

Breve introduzione

Il microprocessore è la parte hardware di un computer che effettua costantemente dei calcoli

Anche in questo preciso istante la CPU del tuo computer sta effettuando dei calcoli, i quali, daranno dei risultati che verranno successivamente trasmessi ad altri componenti hardware. I risultati così ottenuti verranno convertiti, ad esempio, in segnali video ed inviati al monitor.

La CPU

CPU è l’acronimo di “Central Processing Unit“, ossia l’unità centrale che può effettuare quattro precise operazioni:

  • Fetching: Procedura di recupero di dati che potrebbero servire al processore e che quindi verranno immagazzinati nella memoria SRAM (ti consiglio di approfondire  l’argomento tramite l’apposito articolo “Che cos’è la memoria RAM? Come funziona?“);
  • Decoding: Fase in cui la CPU converte parti di codice proveniente dai vari linguaggi dei compilatori (come C+, Java ecc.) per poi processarli in codice binario;
  • Executing: In questa fase la CPU effettua due tipi di operazioni:

Operazioni aritmetiche: Somma, differenza, moltiplicazione e divisione tra numeri binari;

Operazioni logiche: Interpretato dal linguaggio macchina sotto forma di comandi “AND”, “OR”, “NOT” ecc.

Al termine delle operazioni, la CPU si ritroverà con dei dati pronti per l’invio;

  • Write back: I dati così ottenuti verranno scritti nella memoria cache dedicata alla CPU.

Esempio di calcolo

Fetching 25%

“Dato1” + “Dato2” (presenti nella memoria RAM)  spostati nella cache della CPU

Decoding 50%

Linguaggio C+ decodificato per processare “Dato1” + “Dato2”

Executing 75%

Effettuata operazione aritmetica “Dato1”-“Dato2″=”Dato3”

Write back 100%

“Dato3” scritto nella cache della CPU

Tutte queste operazioni vengono effettuate in una parte specifica del microprocessore definita “Core“, ossia Nucleo / Centro / Cuore / Nocciolo.

I dati processati dal “Nucleo”, risiederanno in una particolare memoria denominata cache, la quale li invierà alle parti hardware comunicanti.

Quest’ultime, a loro volta, comunicheranno i vari dati in risposta che giungeranno alla CPU attraverso i suoi “piedini”, denominati “pin“.

Che cos'è il socket?

Ogni microprocessore ha una relativa gamma di schede madri compatibili.

Non è detto che la tua motherboard, ad esempio, supporti gli ultimi processori usciti in commercio, o in ogni caso, sarà compatibile solo ed esclusivamente con CPU Intel o solo con CPU AMD.

Questo è dovuto a molteplici fattori tra cui la compatibilità con il chipset della scheda madre, una compatibilità con varie parti elettroniche situate sulla stessa ed ad uno specifico sviluppo del socket 

Microprocessori sviluppati con uno specifico socket Intel, non sono compatibili con schede madri supportanti CPU AMD e viceversa. 

Parliamo dei "Core" e della "Cache"

Una delle caratteristiche fondamentali del processore è il numero di core. Attualmente sono disponibili in commercio CPU dotate di 2, 6, 8 o più core, ossia veri e propri “cuori” adibiti all’esecuzione di calcoli.

È proprio in questa porzione di CPU che vengono effettuate tutte le operazioni sopra descritte, ossia Fetching, Deconding, Executing e Write back.

Ci siamo anche riferiti ad una parte contenuta nella CPU, ossia la “cache“. Quest’ultima è una memoria estremamente veloce che comunica direttamente con il microprocessore.

Immaginiamola come una super memoria RAM che necessita di qualche millesimo di secondo per far trasferire i dati processati dalla CPU ad altre parti hardware e viceversa.

Clock

La frequenza di clock indica sostanzialmente quanti cicli operativi vengono compiuti in un secondo.

Bisogna intendere un ciclo operativo come il tempo impiegato per leggere / decodificare / processare e scrivere un dato.

100Hz indicano quindi 100 operazioni eseguite nell’arco di 1 secondo, 1000Hz sono 1000 operazioni al secondo e così via. Quando le operazioni iniziano a raggiungere numeri così elevati è necessario iniziare a parlare di Ghz.

1Ghz = 1000Mhz

1Mhz = 1000Hz

Tecnicamente, una CPU moderna, per essere performante, deve avere almeno una frequenza di clock pari o superiore a 2 – 2.5Ghz.

L'architettura 32 bit - 64 bit

L’efficienza complessiva di una CPU è definita dalla sua architettura con la quale è stata progettata ed assemblata.

Per architettura si intende il modo con cui vengono gestite le varie parti integrate nella CPU ed il posizionamento delle stesse.

Inoltre, è da imputare all’architettura il modo di comunicazione tra le varie parti: Migliore è l’architettura utilizzata e più efficiente sarà il microprocessore.

Nella realizzazione di una CPU possono essere utilizzati due tipi di schemi: 32 bit o 64 bit.

Questi valori indicano una porzione della CPU adibita al collocamento di un registro. Viene naturale pensare che più la dimensione di questo spazio aumenta e maggiore saranno i dati da poter collocare nel registro. 

I dati salvati nel registro di una CPU a 64 bit, infatti, saranno maggiori. Questi ultimi serviranno per eseguire il sistema operativo e rendere numerosi dati disponibili ai relativi programmi.

Tale architettura può eseguire anche operazioni basate su calcoli a 32 bit grazie ad appositi algoritmi, ma non sarà possibile il procedimento inverso

La spiegazione in un video

Vi rimando ad un video di Ferry dove spiega in modo semplice e conciso tutto ciò che c’è da sapere sulla CPU

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