La CPU si occupa di eseguire tutte le operazioni e i calcoli necessari allo svolgimento dei programmi, prelevando i dati e trasferendo i risultati mediante l'accesso alla memoria centrale; pertanto la sua forma più semplice deve prevedere almeno tre componenti:
– una serie di registri, che non sono altro che celle di memoria speciali, estremamente veloci e accessibili solo al processare;
– un'unità di calcolo denominata ALU (Arithmetic/Logic Unit) che svolge le operazioni matematiche necessarie all'elaborazione;
– un circuito di controllo, che si occupa di interpretare le istruzioni reagire agli input esterni e di canalizzare il flusso di esecuzione in modo da ottimizzare le prestazioni.
In pratica il programma è una sequenza di istruzioni, semplici o complesse, e di operandi; ogni istruzione che raggiunge il microprocessore (fase detta fetch) viene memorizzata in un registro apposito, quindi passa attraverso l'unità di controllo dove subisce il processo di interpretazione, che consiste nell'individuare la natura dell'istruzione confrontandola con un elenco predefinito che costituisce il bagaglio di operazioni direttamente eseguibili dalla CPU. L'unità di controllo si occupa poi di richiamare gli eventuali operandi, conservandoli in altrettanti registri, e di ordinare all'ALU di eseguire su di essi i calcoli necessari. Ciascuno di questi compiti viene portato a termine col ritmo imposto da un oscillatore, realizzato con un cristallo di quarzo analogo a quello presente nei comuni orologi da polso, che genera segnali alternati, periodici, di alto/basso voltaggio. Ogni sequenza di alto/basso voltaggio è denominata ciclo di clock ed il susseguirsi dei cicli scandisce, come un metronomo, l'esecuzione delle operazioni. Le CPU attuali non condividono la stessa frequenza di clock dei sistema che le ospita, ma funzionano ad una velocità più elevata, ottenuta moltiplicando la frequenza di base per un fattore costante. Questo fatto rende ogni comunicazione con l'esterno un evento che ha l'effetto di rallentare significativamente l'attività dei processare. Siccome il ricorso al bus di sistema da parte dei processare avviene quasi esclusivamente per operazioni di lettura e scrittura sulla memoria centrale, si è cercato di ridurre il numero di queste operazioni integrando nella CPU un certo quantitativo di memoria ad alta velocità detta cache di primo livello (L1). Questa memoria fa da tramite tra la RAM di sistema e il processare, che in molti casi troverà ciò che gli serve per completare i suoi compiti senza dover cercare altrove. La cache di secondo livello è un ulteriore stadio interposto tra quella di primo livello e la memoria centrale. Ha dimensioni maggiori di quella Ll e può essere integrata nel chip e sfruttare la frequenza della CPU, come avviene nel Celeron Mendocino e nel K6 3, o, più semplicemente, operare sul bus di sistema, come nei PC basati sull'AMD K6 2, avvantaggiandosi rispetto alla comune memoria solo grazie all'impiego di componenti più performanti e di una più efficiente logica di gestione. Il Pentium Il si awale di una soluzione intermedia per la sua cache L2, che si trova su integrati separati da quello della CPU e lavora ad una frequenza che è la metà di quella del processare.
L'elevato grado di integrazione e la conseguente straordinaria velocità di elaborazione stanno spostando verso la CPU un quantitativo sempre maggiore di compiti nell'ambito di un sistema di elaborazione. Il primo dei componenti, una volta esterni, ad essere realizzato internamente al processare è stato il coprocessore matematico o FPU (Floatin Point Unit). Questo circuito deve la su denominazione inglese, che si traduce in unità a virgola mobile", all'abilit nell'esecuzione di calcoli su numeri reali molto grandi, rappresentati con la notazione a mantissa ed esponente. Si tratta quindi di una naturale estension dell'ALU, che è progettata per gestir principalmente numeri interi e rallent sensibilmente quando deve occuparsi di operandi di tipo diverso; l'FPU è parte integrante di tutte le CPU dal 80486DX in poi. I moderni processori custodiscono al loro interno quantità sempre maggiori di memoria cache e si parla di integrare circuiti per la compressione e decompressione dei dati, per la cifraturadei codici.
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