Che cos’è l’unità di elaborazione centrale o CPU, tipi e a cosa serve

La CPU o Central Processing Unit è il componente più importante di un computer. Questo componente è essenzialmente incaricato, e come indica il nome stesso, di elaborare qualsiasi tipo di informazione e di fornire quelle porte che sono totalmente necessarie per connettere i dispositivi periferici ad esso.

In questo post cercheremo di risolvere tutti i dubbi che sorgono sul concetto di unità centrale di elaborazione, le particolarità dei suoi componenti e il suo funzionamento. Definiremo anche le CPU conosciute e altri fatti curiosi sul concetto, come la differenza con un’unità grafica o un processore grafico.

Che cos’è l’unità di elaborazione centrale ea cosa serve?

La CPU, come è conosciuta nel mondo informatico, è costituita da un insieme di componenti che, insieme, garantiscono il corretto funzionamento del computer. Questi microblocchi sono l’ unità aritmetica e logica (UAL) e l’ unità di controllo (CU). La combinazione di entrambi è ciò che è noto come microprocessore, che è un processore (o meglio un insieme di decine di processori) di dimensioni ridotte.

Come affermato all’inizio, l’unità di elaborazione centrale (CPU, processore centrale) è la parte più importante di un computer e degli altri dispositivi che la includono, come ad esempio una smart TV o uno smartphone. Inoltre, è il luogo in cui si svolgono tutte le procedure relative alle informazioni.

Ha una struttura basata su un circuito integrato chiamato microprocessore, che può essere modificato, e infatti lo fa, tra le diverse marche di computer presenti sul mercato. È un dispositivo che interpreta un insieme di istruzioni presenti in un programma o definite nei dati di input e avvia l’esecuzione dell’elaborazione dei dati.

Svolge diverse funzioni:

• Esecuzione del programma. Assicura che le sue istruzioni vengano eseguite all’avvio e all’avvio.
• Comunicazione con tutti i dispositivi I/O. Viene stabilito un accordo tra ciascuno dei moduli in modo che i dispositivi periferici possano rispondere senza causare un collasso tra di loro, e di solito immediatamente.
• Programmazione. Ha a che fare con la comprensione di tutte le funzioni del sistema attraverso la preventiva predisposizione dell’organigramma. Ciò impedisce al sistema di essere sovraccaricato e controlla ciò che può essere gestito in qualsiasi momento a livello di disco e memoria.
• Memoria primaria. Questo è simile a una buona gestione della memoria, in modo che i programmi abbiano lo spazio necessario per funzionare correttamente, controllato assegnandolo a ciascuno di coloro che ne ha bisogno, in base alle loro funzionalità e utilizzo, che gli viene dato in ogni momento..

Evoluzione del concetto di CPU

Nei primi computer, le unità di elaborazione centrali erano progettate per gestire computer molto più grandi. Pertanto, le macchine funzionavano con meccanismi meccanici molto semplici. Ecco perché, all’inizio, questi computer dovevano essere riconfigurati in modo che potessero svolgere vari compiti.

I primi computer con processori erano computer con programmi memorizzati. Ciò è stato stabilito con il modello ENIAC creato nell’anno 1945, la cui architettura è stata preparata dal matematico John von Neumann, che ha lasciato un grande segno nel mondo dell’informatica.

Questo hardware è stato progettato per eseguire vari tipi di operazioni archiviate nella memoria del computer, il che significava che non erano necessarie modifiche fisiche al cablaggio del computer per evitare perdite di tempo, fatica ed errori.

Inizialmente sono state create singole unità centrali di elaborazione, ma ciò non era molto conveniente e, per questo motivo, è stata a lungo considerata la standardizzazione dei processori per scopi diversi. Ciò è stato reso possibile dall’avvento dei circuiti integrati (CI), che hanno consentito CPU sempre più sofisticate in spazi ristretti.

Dovresti essere abituato all’idea che i microprocessori siano ovunque oggi, dalle auto e dai camion ai telefoni cellulari e persino ai giocattoli per bambini. L’inizio dei miglioramenti per questo tipo di dispositivi iniziò con l’arrivo del transistor negli anni ’50, che permise la costruzione di processori più complessi su circuiti stampati.

Quelli basati su circuiti integrati erano chiamati dispositivi di integrazione su piccola scala (SSI). Avevano i transistor, sempre multipli di dieci. I completamenti richiedevano migliaia di singole tessere, ma occupavano la minor quantità di spazio.

Nell’anno 1964, IBM aggiunse l’ architettura System/360, che consentiva a un insieme di computer di eseguire lo stesso programma a varie velocità. Pertanto, sebbene i computer fossero incompatibili tra loro, l’architettura era esattamente la stessa. In quel periodo si scoprì che i transistor permettevano al processore di lavorare a una velocità molto più elevata grazie ai tempi di commutazione che fornivano.

Nel tempo è emerso il concetto di microprocessore per processori con un numero ridotto di circuiti integrati; di solito solo uno. La riduzione delle dimensioni ha consentito di ridurre i tempi di commutazione. Ecco perché il design, la complessità e le dimensioni non sono cambiate molto dall’aspetto di questo microprocessore.

Componenti e caratteristiche del processore Da quali parti dell’hardware è composto?

L’unità di elaborazione centrale o CPU è costituita da un insieme di componenti, che definiremo separatamente per conoscere l’ambito delle sue funzioni:

1- Centralina

È uno dei blocchi che compongono la CPU. La sua funzione essenziale è trovare le istruzioni in memoria, decodificarle ed eseguirle tramite l’Unità di Elaborazione. L’unità di elaborazione centrale in altre parole è la serie di circuiti che controllano il flusso di dati che viene generato nella CPU.

Ci sono molti componenti in questa unità. Questi sono:

• controller e decodificatore. È responsabile dell’interpretazione dell’istruzione estraendo il codice dell’operazione da eseguire.
• Registro delle istruzioni. È il luogo in cui l’istruzione viene salvata durante la sua esecuzione.
• Contatore istruzioni. Ha l’indirizzo di memoria della prossima istruzione da eseguire.
• Sequenziatore. Genera i microcomandi necessari per l’esecuzione di un’istruzione.
• Orologio. Fornisce impulsi elettrici a determinati intervalli con una certa regolarità.

2- Unità di processo

Questo è un altro dei blocchi più importanti di questo elemento. La sua funzione è quella di eseguire tutti i compiti che la centrale gli passa. Per eseguire questi processi è necessario l’aiuto degli elementi descritti di seguito:

• unità in virgola mobile. Viene utilizzato per eseguire operazioni matematiche con numeri reali.
• Registro di Stato. Memorizza diversi indicatori del risultato delle operazioni eseguite.
• Unità logica aritmetica (ALU). Viene utilizzato per eseguire operazioni aritmetiche di base, confronti, funzioni logiche e anche rotazione di bit.
• Registro accumulatore. Memorizza gli operandi e anche i risultati delle operazioni.

3- Record

È una memoria ad alta velocità integrata nello stesso processore. Viene utilizzato per memorizzare temporaneamente i dati e per accedere ai valori più utilizzati. In effetti, è l’opzione migliore per un sistema per salvare i dati. I registri sono misurati dal numero di bit che consentono di memorizzare. Se il tuo computer è a 32 bit, ad esempio, ciò significa che è possibile salvare registri a 64 bit.

Esistono i seguenti tipi di record:

• Registri permanenti. Hanno valori creati per essere utilizzati in modalità di sola lettura. Vengono realizzati quando viene creato l’hardware stesso.
• Registri in virgola mobile. Memorizzano i dati in forma di virgola mobile.
• Record di dati. Memorizzano numeri interi.
• Record di memoria. Memorizzano solo indirizzi di memoria.
• Registri per uso generale. Memorizzano sia i dati che gli indirizzi. Sono utilizzati principalmente nell’architettura von Neumann, che è altrimenti tipica.
• Registrazioni per scopi speciali. Contengono informazioni sullo stato del sistema, come il puntatore dello stack.

4- Bus di ingresso e uscita

Il bus viene utilizzato per trasferire i dati tra i componenti di un computer. Si tratta di indizi sul circuito integrato che possono essere trasmessi in due modi:

• Parallelo. Il bus consente la trasmissione simultanea di più bit.
• Serie. Il bus può trasmettere dati bit per bit attraverso un unico cavo per trasmettere informazioni.

Nei primi PC i bus funzionavano sempre in parallelo, anche se negli ultimi anni sono stati cambiati in bus seriali. Sebbene questi ultimi siano più difficili da implementare, le velocità di trasmissione che raggiungono sono molto più elevate.

Come funziona un processore?

Esegue diverse operazioni, anche se ciò che spicca di più è l’ esecuzione dei programmi. I programmi, visti dall’interno, sono un insieme di istruzioni rappresentate da numeri che vengono archiviati nella memoria del computer prima di essere eseguiti. Tutti i sistemi con architettura von Neumann hanno quattro passaggi per eseguire le loro operazioni. Questi vengono letti, decodificati, eseguiti e scritti.

1- FETCH (leggi)

In questo passaggio, l’istruzione, rappresentata da un insieme di numeri, viene prelevata dalla memoria. Il contatore di programmi (PC, da non confondere con PC o personal computer) è responsabile del salvataggio dell’indirizzo di memoria in cui risiedono queste istruzioni.

Dopo aver eseguito una lettura, il PC incrementa per modificare la propria posizione e si ritrova in un blocco di memoria dove si trova l’indirizzo della prossima istruzione da eseguire. In questo caso viene utilizzata una memoria lenta, la cui velocità di risposta dipende dalla memoria cache e dal processore del computer.

2- DECODIFICA (decodificatore)

Dopo che hai un’istruzione, è divisa in più parti che devono essere interpretate dai processori. Una parte dei numeri indica l’operazione da eseguire (codice operazione) e le parti seguenti corrispondono alle informazioni relative all’esecuzione dell’operazione specificata. Ad esempio, se l’istruzione è un’addizione, è bene capire l’operatore che specifica l’addizione e gli operandi da aggiungere.

Possono essere definiti dal valore o dall’indirizzo di memoria da cui vengono presi i dati da aggiungere. Nei processori più complessi è stato creato un firmware che traduce le istruzioni in modo che la decodifica sia un po’ più semplice.

3- ESEGUI (Esegui)

Quando si verifica questo passaggio, il processore si collega ai suoi blocchi coinvolti nell’istruzione per eseguire l’operazione richiesta nel programma.

Dopo aver eseguito l’operazione di addizione di cui abbiamo parlato prima, viene collegata un’unità aritmetica e logica (ALU) per eseguire le operazioni, con ingressi e uscite dove si trovano i numeri da sommare e dove viene posizionato il risultato di essa.

4- SCRITTURA

In questo passaggio vengono scritti solo i risultati dell’istruzione in esecuzione. Possono essere archiviati nella memoria volatile o nella memoria principale, che può essere un po’ più lenta.

Dopo l’ultimo passaggio, il processo si ripete con il ciclo di istruzione successivo in modo da poter leggere il ciclo successivo e incrementare il contatore del programma. Nei processori complessi, più istruzioni possono essere lette una alla volta e quindi eseguite.

Quanti tipi di unità centrali di elaborazione esistono?

Un’unità centrale di elaborazione è suddivisa in diversi tipi, classificati in base al numero di core:

1- CPU single core

È noto come core della CPU. È emerso con l’inizio del concetto di informatica. Era un processore single-core in cui i task fondamentali erano molto lenti ed eseguiti uno dopo l’altro, anche se all’epoca, come potete immaginare da quanto abbiamo già accennato, era rivoluzionario perché permetteva un tasso di errore molto più basso, in quanto nonché una diversione di risorse per altri compiti.

2- Processori dual core

Questo è stato un grande salto nel mondo della tecnologia: la combinazione di due core in un processore; non era un compito semplice. Il sistema di controllo doveva controllare il sovraccarico, il che rendeva impossibile il raddoppio della velocità del processore.

Sono stati utilizzati in ambienti multitasking perché avevano programmi e thread in competizione per il tempo del processore. Se è presente un secondo core, uno dei processi figlio verrà eseguito su una macchina e l’altro sull’altra. Questo processore offre il 75% di prestazioni in più rispetto a un processore single core, per non parlare del doppio delle prestazioni. Naturalmente, fa due compiti e lo fa più velocemente.

3- Processore quad core

Questo è un tipo di processore noto come quadcore. Questo è composto da quattro core ed è molto più veloce dei due modelli precedenti. È in grado di eseguire più attività contemporaneamente e ad una buona velocità.

In definitiva, questo è il tipo di processore che si trova nei telefoni cellulari di fascia media e alta.

4- Processore a sei e otto core

Questi sono quelli usati oggi nei computer. Sono in grado di eseguire un gran numero di compiti complessi a una velocità sorprendente. A seconda delle loro capacità, possono eseguire da sei a otto attività di base contemporaneamente senza disturbare l’utente.

Differenze tra una CPU e una GPU?

È molto normale che tu lo chieda perché entrambi sono elementi dell’hardware del computer e i loro nomi sono molto simili. Cominciamo col sapere che in entrambi i casi si tratta di processori. Ciò significa che lo scopo di entrambi è esattamente lo stesso: elaborare.

Tuttavia, la differenza è evidente:

• L’unità centrale di elaborazione è responsabile dell’elaborazione ridondante di tutti i tipi di azioni e informazioni di natura o scopo generale, lavorando in sequenza. Puoi lavorare con elementi grafici e il numero di processi con cui viene caricato è inferiore.
• Il processore grafico o la GPU lavora in modo specifico per elaborare elementi grafici, ovvero immagini e video, e lo fa in parallelo, a seconda del modello dell’ambiente. Ciò significa sottrarre il carico dal processore che può lavorare sul resto degli elementi. Pertanto, è interessante dedicare del tempo alla scelta accurata di un’eccellente scheda grafica in modo che il processore non collassi, non importa quanto sia buono. Carica molti più processi, anche se devono essere specifici.