Central Processing Unit

Cos'è la C.P.U?
La Cpu ( Central Processing Unit) è l'unita di elaborazione centrale, è una tipologia di processore digitale general purpuse la quale si differenzia per sovrintendere tutte le funzionalità del computer , basato sull'architettura di Von Neumann o sull'architettura Harvad.

È detta unità centrale di elaborazione perché coordina in maniera centralizzata tutte le altre unità di elaborazione presenti sulle moderne architetture hardware dei computer ovvero i chip di elaborazione delle varie periferiche interne o schede elettroniche (scheda audio,scheda video, scheda di rete) (es. coprocessore e processore di segnale digitale).
Il compito della CPU è quello di eseguire le istruzioni di un programma presente in memoria centrale o primaria (RAM) dopo averlo prelevato dalla memoria secondaria o di massa, dalla ROM, o da altri dispositivi. Durante l'esecuzione del programma la CPU legge o scrive dati in memoria centrale. Il risultato dell'esecuzione dipende dal dato su cui si opera e dallo stato interno in cui la CPU stessa si trova, e può mantenere la traccia delle operazioni passate. Attualmente la CPU è tipicamente implementata come microprocessore monolitico, montata sulla scheda madre e collegata alle altre periferiche interne (schede elettroniche) attraverso il chipset, presente anch'esso sulla scheda madre, e relative interfacce di collegamento.

La Storia della C.P.U.

La CPU nasce quando, per la prima volta nella storia, vengono riuniti all'interno dello stesso cabinet due processori che precedentemente erano sempre stati contenuti in cabinet diversi (o comunque costituivano blocchi distinti): l'ALU e l'unità di controllo. La prima CPU commercializzata della storia è l'IBM 709 Central Processing Unit,^[3] una CPU basata sulla valvola termoionica e disponibile con l'IBM 709 Data Processing System (un computer dell'IBM commercializzato a partire dal 1958).

Il cabinet dell'IBM 709 Central Processing Unit ha le dimensioni di un armadio. Grazie all'avvento prima del transistor e poi della microelettronica, è stato possibile contenere la CPU prima in una scheda elettronica e, successivamente, in un circuito integrato (quindi nello spazio di pochi centimetri quadrati). In particolare la prima CPU commercializzata e interamente contenuta in un circuito integrato è il microprocessore Intel 4004 (commercializzato a partire dal 1971), la cui invenzione la si deve allo scienziato italiano Federico Faggin.

La struttura della C.P.U.

Una generica CPU contiene:

• un'unità di controllo (anche nota con la sigla "CU") che legge dalla memoria le istruzioni, se occorre legge anche i dati per l'istruzione letta, esegue l'istruzione e memorizza il risultato se c'è, scrivendolo in memoria o in un registro della CPU.
• un'unità aritmetica e logica (anche nota con l'acronimo "ALU") che si occupa di eseguire le operazioni logiche e aritmetiche;
• dei registri, speciali locazioni di memoria interne alla CPU, molto veloci, a cui è possibile accedere molto più rapidamente che alla memoria: il valore complessivo di tutti i registri della CPU costituisce lo stato in cui essa si trova attualmente. Due registri sempre presenti sono:
  • il registro IP (Instruction Pointer) o PC (Program Counter), che contiene l'indirizzo in memoria della prossima istruzione da eseguire;
  • il registro dei flag: questo registro non contiene valori numerici convenzionali, ma è piuttosto un insieme di bit, detti appunto flag, che segnalano stati particolari della CPU e alcune informazioni sul risultato dell'ultima operazione eseguita. I flag più importanti sono:
    • Flag di stato:
      • Overflow: indica se il risultato dell'operazione precedente era troppo grande per il campo risultato: 0 assenza di overflow, 1 overflow
      • Zero: vale 1 se l'ultima operazione ha avuto risultato zero, altrimenti vale 0.
      • Carry: vale 1 se l'ultima operazione ha ecceduto la capacità del registro che contiene il risultato, altrimenti vale 0 (esempio: in un registro a 8 bit, che può rappresentare solo numeri da 0 a 255, la somma 178+250 darebbe come risultato 172, cioè 428 - 256, e il carry verrebbe posto a 1 insieme al flag di overflow).
      • Segno: indica il segno del risultato dell'operazione precedente: 0 risultato positivo, 1 risultato negativo
    • Flag di controllo:
      • Interrupt: se a questo flag viene assegnato valore 1, la CPU smette di rispondere alle richieste di servizio esterne delle periferiche (i segnali delle linee IRQ) finché non viene ripristinato al valore 0, o finché non arriva dall'esterno un segnale di RESET.

Una generica CPU deve eseguire i suoi compiti sincronizzandoli con il resto del sistema: perciò è dotata, oltre a quanto sopra elencato, anche di uno o più bus interni che si occupano di collegare registri, ALU, unità di controllo e memoria: inoltre all'unità di controllo interna della CPU fanno capo una serie di segnali elettrici esterni che si occupano di tenere la CPU al corrente dello stato del resto del sistema e di agire su di esso. Il tipo e il numero di segnali esterni gestiti possono variare ma alcuni, come il RESET, le linee di IRQ e il CLOCK sono sempre presenti.

Per quanto riguarda i registri, le CPU possono gestirli in molti modi: i più comuni sono registri nominativi (CPU CISC classiche), file di registri (RISC) e stack di registri (Transputer e simili).

• Stack di registri: i registri sono organizzati in una struttura a stack (pila); questa architettura ha il vantaggio di non dover specificare su quale registro interno operare (è sempre quello in cima allo stack) ottenendo istruzioni più corte e più semplici da decodificare. Il rovescio della medaglia è che nel caso sia necessario un dato "sepolto" in fondo allo stack, il suo recupero è un'operazione molto lenta.
• Registri nominativi: ogni registro è identificato singolarmente e le istruzioni che usano registri specificano di volta in volta quale registro devono usare. Spesso alcuni registri sono dedicati a scopi particolari (registri indice, accumulatori, registri di segmento ecc.) imponendo la non ortogonalità del set di istruzioni (vedi oltre). La gran maggioranza delle CPU generiche degli anni '70 e '80 è di questo tipo.
• File di registri: I registri sono organizzati come una memoria interna della CPU e indicizzati: la CPU "alloca" un certo numero di registri per ogni processo e/o subroutine in esecuzione, eliminando la necessità di accedere alla RAM per salvare gli stack di chiamata delle funzioni e i dati di task switching nei sistemi multitask.

Struttura generica del funzionamento della C.P.U.

Una CPU è un circuito digitale sincrono: vale adire che il suo stato cambia ogni volta che riceve un impulso da un segnale di sincronismo detto clock, che ne determina di conseguenza la velocità operativa, detta velocità di clock: quindi il tempo di esecuzione di una istruzione si misura in cicli di clock, cioè in quanti impulsi di clock sono necessari perché la CPU la completi. In effetti, una parte importante e delicata di ogni CPU è il sistema di distribuzione che porta il segnale di clock alle varie unità e sottounità di cui è composta, per fare in modo che siano sempre in sincronia: tale sistema si dirama in una struttura ad albero con divisori e ripetitori che giunge ovunque nella CPU.

Nei processori più moderni (Pentium, Athlon, PowerPC) questa "catena di ingranaggi" elettronica arriva ad impiegare circa il 30% di tutti i transistor disponibili. La velocità di questa distribuzione determina in maniera diretta la massima frequenza operativa di una CPU: nessuna CPU può essere più veloce del suo critical path, cioè del tempo che impiega il clock per percorrere il tratto più lungo in tutto l'albero di distribuzione del clock. Per esempio, se il segnale di clock di una data CPU impiega un nanosecondo per attraversare tutto il chip ed arrivare fino all'ultima sottounità, questa CPU potrà operare a non più di 1 GHz, perché altrimenti le sue componenti interne perderebbero la sincronizzazione, con risultati imprevedibili (per avere un margine di sicurezza, il limite pratico sarà anzi ben minore di 1GHz).

Set d'istruzioni macchina

• Le istruzioni di una CPU (instruction set) sono semplicemente dei numeri, detti opcode o codici operativi: in base al loro valore l'unità di controllo intraprende delle azioni predefinite, come per esempio leggere la successiva locazione di memoria per caricare un dato, oppure attivare la ALU per eseguire un calcolo, oppure scrivere il contenuto di un registro in una certa locazione di memoria o in un altro registro, oppure una combinazione di queste.

Per una persona, stendere programmi scrivendo direttamente gli opcode è estremamente noioso e prono all'errore. Per questo motivo si utilizza l'assembly, che associa un simbolo mnemonico ad ogni istruzione della CPU e introduce una sintassi che permette di esprimere i vari metodi di indirizzamento in modo più intuitivo.

Una caratteristica importante dell'insieme (set) delle istruzioni di una CPU è la sua ortogonalità: vale a dire, il fatto che ogni istruzione che usi i registri possa usarli tutti indifferentemente (tranne quelli "speciali" come l'IP) e che nessun registro sia in qualche modo privilegiato rispetto agli altri perché su di esso si possono compiere operazioni particolari: è stato dimostrato che un set di istruzioni ortogonali, a parità di tempo di esecuzione delle istruzioni e di numero dei registri, è più efficiente di uno non ortogonale.

Ciclo del processore

Tipicamente la CPU è l'Interprete del linguaggio macchina. Come tutti gli interpreti, si basa sul seguente ciclo:

• Acquisizione dell'istruzione (Instruction Fetch): il processore preleva l'istruzione dalla memoria, presente nell'indirizzo (tipicamente logico) specificato da un registro "speciale" ("speciale" opposto di "generico"), il PC
• Decodifica (Operand Assembly): una volta che la word è stata prelevata, viene determinata quale operazione debba essere eseguita e come ottenere gli operandi, in base ad una funzione il cui dominio è costituito dai codici operativi (tipicamente i bit alti delle word) ed il codominio consiste nei brani dimicroprogramma da eseguire
• Esecuzione (Execute): viene eseguita la computazione desiderata. Nell'ultimo passo dell'esecuzione viene incrementato il PC: tipicamente di uno se l'istruzione non era un salto condizionale, altrimenti l'incremento dipende dall'istruzione e dall'esito di questa

Questo ciclo elementare può essere migliorato in vari modi: per esempio, la decodifica di una istruzione può essere fatta contemporaneamente all'esecuzione della precedente e alla lettura dalla memoria della prossima (instruction prefetch) e lo stesso può essere fatto con i dati che si prevede saranno necessari alle istruzioni (data prefetch). La stessa esecuzione delle istruzioni può essere suddivisa in passi più semplici, da eseguire in stadi successivi, organizzando la unità di controllo e la ALU in stadi consecutivi, come delle catene di montaggio (pipeline''): in questo modo più istruzioni possono essere eseguite "quasi contemporaneamente", ciascuna occupando ad un certo istante uno stadio diverso della pipeline.

Il problema di questo approccio sono le istruzioni di salto condizionato: la CPU non può sapere a priori se dovrà eseguire o no il salto prima di aver eseguito quelle precedenti, così deve decidere se impostare la pipeline tenendo conto del salto o no: e in caso di previsione errata la pipeline va svuotata completamente e le istruzioni in corso di decodifica rilette da capo, perdendo un numero di cicli di clock direttamente proporzionale al numero di stadi della pipeline. Per evitare questo i processori moderni hanno unità interne (“Branch prediction unit”) il cui scopo è tentare di prevedere se, data una istruzione di salto condizionato e quelle eseguite in precedenza, il salto dovrà essere eseguito o no.

Inoltre i processori possono implementare al loro interno più unità di esecuzione per eseguire più operazioni contemporaneamente. Questo approccio incrementa le prestazioni delle CPU ma ne complica notevolmente l'esecuzione, dato che per poter eseguire in modo efficiente più operazioni in parallelo la CPU deve poter organizzare le istruzioni in modo diverso da come sono organizzate dal programmatore (esecuzione fuori ordine). Una ulteriore evoluzione di questo concetto è stata implementata nei processori multicore Itanium, che implementano delle istruzioni predicative che possono o meno essere eseguite a seconda del risultato di altre, eseguite in precedenza o contemporaneamente.

Famiglie di C.P.U.

Architettura di von Neumann e architettura Harvard

In base all'organizzazione della memoria si possono distinguere le seguenti due famiglie di CPU:

• con architettura di von Neumann, in cui i dati e le istruzioni risiedono nella stessa memoria (è dunque possibile avere codice automodificante). Questa architettura è la più comune, perché è molto semplice e flessibile.
• con architettura Harvard, in cui i dati e le istruzioni risiedono in due memorie separate. Questa architettura può garantire prestazioni migliori poiché le due memorie possono lavorare in parallelo riducendo le alee strutturali, ma è ovviamente molto più complessa da gestire. È tipicamente utilizzata nei DSP.

Entrambe le architetture sono architetture basate sui registri generali.

Architettura CISC e architettura RISC

Quando i transistor disponibili su un solo chip erano pochi e i calcolatori venivano spesso programmati in assembly, era naturale sfruttarli in modo tale da avere CPU con istruzioni potenti, evolute e complesse: più queste erano vicine alle istruzioni dei linguaggi di programmazione ad alto livello più il computer sarebbe stato facile da programmare, e i programmi avrebbero occupato poco spazio in memoria (anch'essa poca e preziosa). Le CPU progettate secondo questo approccio sono dette CISC ed avevano unità di controllo complesse capaci di sfruttare al meglio pochi registri e i cui programmi erano di dimensioni relativamente piccole. A cavallo fra gli anni '70 e gli '80 la situazione però cambiò rapidamente: la RAM divenne più economica e comparvero i primi compilatori moderni, ottimizzanti, in grado di generare linguaggio macchina molto efficiente: per questo si iniziò a pensare ad un nuovo modo di progettare le CPU, prendendo in esame la possibilità di usare i transistor disponibili per avere invece molti registri e un set di istruzioni elementare, molto ridotto, che delegasse al compilatore il lavoro di tradurre le istruzioni complesse in serie di istruzioni più semplici, permettendo così di avere unità di controllo particolarmente semplici e veloci. Attualmente la distinzione fra queste due classi di architetture è venuta in gran parte meno: il numero di transistor disponibili su un solo chip è aumentato tanto da poter gestire molti registri ed anche set di istruzioni complesse.

Architettura CISC

CISC è l'acronimo di Complex Instruction Set Computer: tipicamente un processore di questo tipo implementa un numero relativamente scarso (una decina) di registri di uso generale, ed ha una unità di controllo microprogrammata: la logica del programma è memorizzata in una memoria veloce situata nella parte di controllo, invece di essere espressa tramite una rete combinatoria.

Il set di istruzioni associato a CPU di tipo CISC è molto esteso e composto in genere di alcune centinaia di codici operativi diversi che svolgono funzioni anche molto complesse, fra cui sono caratteristici i trasferimenti memoria-memoria, assenti nei RISC; le istruzioni hanno lunghezza variabile e possono presentarsi in formati diversi, e sono necessari due o più (a volte molti di più) cicli di clock per completare un'istruzione; è possibile specificare la posizione dei dati necessari alle istruzioni usando molti metodi di indirizzamento diversi. Il ridotto numero di registri interni obbliga questi processori a scrivere in memoria ogni volta che si verifica una chiamata di funzione, che si verifica un context switch o che viene salvato un registro nello stack.

Programmare in Assembly una CPU CISC è un compito (relativamente) facile, perché le istruzioni presenti sono più vicine a quelle dei linguaggi ad alto livello.

Architettura RISC

RISC è l'acronimo di Reduced Instruction Set Computer. Il tipico set di istruzioni RISC è molto piccolo, circa sessanta o settanta istruzioni molto elementari (logiche, aritmetiche e istruzioni di trasferimento memoria-registro e registro-registro): hanno tutte lo stesso formato e la stessa lunghezza, e molte vengono eseguite in un solo ciclo di clock. La diretta conseguenza di tale scelta progettuale è che i processori RISC posseggono una unità di controllo semplice e a bassa latenza, riservando invece molto spazio per i registri interni: una CPU RISC ha di solito da un minimo di un centinaio ad alcune migliaia di registri interni generici, organizzati in un file di registri. Il fatto di avere un formato unico di istruzione permette di strutturare l'unità di controllo come una pipeline, cioè una catena di montaggio a più stadi: questa innovazione ha il grosso vantaggio di ridurre il critical path interno alla CPU e consente ai RISC di raggiungere frequenze di clock più alte rispetto agli analoghi CISC.

Nel caso di context-switch o di chiamata a subroutine o comunque di uso dello stack i RISC spesso invece di accedere alla memoria di sistema usano un meccanismo chiamato register renaming, che consiste nel rinominare i registri in modo da usare per la nuova esecuzione una diversa zona del file di registri, senza dover accedere alla memoria ogni volta.

Architettura RISC contro architettura CISC

La semplicità dei RISC si traduce in una minore espressività del linguaggio assembly: il numero di word necessarie per esprimere una computazione in una macchina RISC è maggiore/uguale alla controparte CISC: questo si traduce in programmi più grossi, penalità molto alta in altre epoche, in cui la RAM era una componente costosa e di bassa capacità. L'architettura CISC dipende dal compilatore più di quanto non dipenda il RISC: dato che le istruzioni prevedono più metodi di indirizzamento, e che son presenti istruzioni dalla semantica complessa, al compilatore viene prospettato un ampio ventaglio di scelte per quanto concerne la traduzione di una istruzione, e non sempre la scelta migliore è banale. Come spesso accade nei problemi di ottimizzazione, la scelta della configurazione migliore è un compito NP completo, e non è pensabile utilizzare un compilatore che, per ogni istruzione, valuti la scelta migliore in base al contesto. Si conoscono solo delle buone euristiche, ma il problema dell'ottimizzazione è un problema di ricerca aperto. La stessa macchina CISC può essere dunque più o meno veloce rispetto ad una macchina comparabile RISC in base al compilatore utilizzato.