Modulo 1: Le I.C.T. : Il Processore Prof. Alberto Postiglione Corso di Informatica Generale (AA 07-08) Corso di Laurea in Scienze della Comunicazione Università degli Studi di Salerno IL MICROPROCESSORE Curtin, 3.8-3.9 1
L unità centrale di elaborazione (CPU) La CPU, o unità centrale di elaborazione o Processore, è il circuito integrato che effettua l elaborazione vera e propria dei dati, eseguendo istruzioni di calcolo istruzioni di controllo L elaborazione avviene in accordo a sequenze di istruzioni (istruzioni macchina) Il linguaggio in cui si scrivono queste istruzioni viene chiamato linguaggio macchina # 3 Prof Alberto Postiglione Università Salerno L unità centrale di elaborazione (CPU) Ogni processore è composto da milioni di piccoli interruttori elettronici di tipo acceso/spento, i transistor, e da altri componenti elettronici # 4 Prof Alberto Postiglione Università Salerno 2
L unità centrale di elaborazione (CPU) Il primo processore a larga diffusione, l Intel 4004 (1971), conteneva circa 2.300 transistor e il Core 2 (2006) ne contiene oltre 291.000.000. (126.000 volte) I modelli più usati sono quelli prodotti dalla Motorola (principalmente sui vecchi computer Apple) dalla Intel dalla AMD # 5 Prof Alberto Postiglione Università Salerno Compatibilità dei processori Dal punto di vista dei programmi, la compatibilità è verso l alto Un programma che gira su un processore di un produttore funziona, quasi sempre, sui modelli più recenti prodotti dalla stessa azienda Il viceversa non è quasi mai vero # 6 Non è garantita la compatibilità tra processori di aziende diverse, a meno che essa non sia esplicitamente dichiarata Ad esempio c è un ottimo livello di compatibilità tra processori AMD e Intel Non c è praticamente compatibilità tra processori Intel e processori Motorola Prof Alberto Postiglione Università Salerno 3
Emulatori E possibile utilizzare un programma apposito che emula un processore su un computer che monta un processore differente. Questo programma intercetta una per una le istruzioni del programma da emulare e le trasforma in istruzioni comprensibili dal processore effettivamente montato sul computer. La soluzione non garantisce però la compatibilità certa (non tutte le istruzioni possono essere tradotte) Inoltre la soluzione è molto lenta perché il programma eseguito in emulazione non accede direttamente all hardware, ma lo fa tramite l emulatore # 7 Prof Alberto Postiglione Università Salerno Coprocessori Nei moderni computer la CPU è coadiuvata da altri processori specializzati nel trattamento di particolari tipologie di dati (ad esempio immagini sul monitor o suoni). Un Coprocessore è un processore dedicato che, sotto il controllo della CPU e del Sistema Operativo svolge elaborazioni specialistiche che richiederebbero alla CPU un notevole dispendio di tempo Processore sulla scheda video Processore sulla scheda audio. # 8 Prof Alberto Postiglione Università Salerno 4
Multiprocessori E possibile, inoltre, dotare un computer di più processori che collaborano all esecuzione di un programma. Ad esempio possono essere disposti più processori come in una catena di montaggio Oppure più processori possono lavorare contemporaneamente su parti diverse di uno stesso dato (nelle previsioni del tempo, ad esempio, ogni processore può dedicarsi ad una specifica zona geografica) # 9 Prof Alberto Postiglione Università Salerno Microprocessori incorporati I microprocessori si trovano anche in Automobili Telefoni Termostati Schede telefoniche Carte di credito # 10 Prof Alberto Postiglione Università Salerno 5
Struttura e componenti della CPU Clock Unità di controllo (Control Unit). ALU (Unità Aritmetico-Logica) Registri Memoria Centrale o Periferiche BUS Unità di controllo Registro Registro ALU Clock Registro # 11 Prof Alberto Postiglione Università Salerno Unità di Controllo Unità di controllo (Control Unit). Sovrintende alla corretta esecuzione dei programmi e coordina il lavoro degli altri componenti hardware # 12 Prof Alberto Postiglione Università Salerno 6
ALU L unità logico-aritmetica (ALU Arithmetic Logic Unit) esegue le istruzioni in linguaggio macchina corrispondenti alle operazioni matematiche, logiche e di confronto Legge i dati contenuti all'interno dei registri generali, esegue le operazioni e memorizza il risultato in uno dei registri generali Vi sono circuiti in grado di eseguire la somma di due numeri binari contenuti in due registri e di depositare il risultato in un registro eseguire il confronto tra due numeri Ecc # 13 Prof Alberto Postiglione Università Salerno Dimensione della parola E il numero di bit che un processore tratta simultaneamente. ( Larghezza della strada ) Corrisponde a quanti bit possono essere trasferiti simultaneamente tra processore e memoria. Corrisponde alla dimensione della singola cella di memoria RAM Corrisponde alla dimensione dei registri della CPU. Inizialmente la dimensione della parola era di 8 bit, cioè di 1 byte. Da allora si è cominciato a misurare la dimensione della memoria in byte. Attualmente la dimensione di parola varia da 32 a 64 bits, in base al tipo di processore e di architettura hardware. # 14 Prof Alberto Postiglione Università Salerno 7
CLOCK Ogni computer ha un orologio interno, detto clock, che emette impulsi con regolarità e serve per sincronizzare le operazioni svolte dalla CPU Ogni operazione elementare del processore avviene in corrispondenza di un impulso del clock (le operazioni non sono eseguite di continuo, ma a scatti). L hertz indica il numero di impulsi che il clock emette in un secondo 1 hertz (Hz) = 1 ciclo al secondo 1 megahertz (MHz) = circa 1 milione di cicli al secondo 1 gigahertz (GHz) = circa 1 miliardo di cicli al secondo # 15 Prof Alberto Postiglione Università Salerno Velocità di una CPU La velocità del clock permette di confrontare solo processori della stessa famiglia. Un Pentium IV a 1,8 GHz è più lento di un Pentium IV a 2 GHz. Non è detto che un Pentium IV a 2 GHz esegua un operazione più velocemente di un AMD Athlon a 1.5 GHz. # 16 Prof Alberto Postiglione Università Salerno 8
Istruzioni del Processore Ogni processore è in grado di eseguire solo poche istruzioni elementari quali: Somma di due numeri (già la somma di tre numeri viene effettuata tramite due somme elementari) Confronto tra due numeri con individuazione del fatto che ci sia o meno differenza (non tutti i processori sanno distinguere in modo immediato, invece, quale dei due precede l altro) Spostamento dei bit all interno di una parola di qualche posizione a destra o a sinistra. poche altre ancora # 17 Prof Alberto Postiglione Università Salerno Istruzioni del Processore Inoltre, un istruzione del processore è generalmente composta da più operazioni elementari che accedono in momenti successivi alle risorse del computer (ad esempio prima al contenuto dell istruzione, poi alla memoria centrale, poi all ALU ). Quasi mai la singola istruzione del processore è eseguita in un solo ciclo di clock. Ad esempio, per effettuare la somma di due numeri Bisogna leggere il primo addendo Bisogna leggere il secondo addendo Bisogna eseguire la somma Bisogna memorizzare la somma E potrebbe darsi che alcune di queste mini-operazioni richieda più cicli di clock per essere completata. # 18 Prof Alberto Postiglione Università Salerno 9
Istruzioni del processore Le istruzioni del processore sono il suo VOCABOLARIO: quanto più esso è povero tante più parole saranno necessarie per descrivere un concetto, ma tanto più esse saranno corte e quindi veloci da eseguire, in quanto richiedono pochi impulsi di clock per essere completate. La potenza di elaborazione di un processore è data dal numero di istruzioni eseguite in un secondo (MIPS milioni di istruzioni al secondo, MFLOPS milioni di istruzioni in virgola mobile al secondo) # 19 Prof Alberto Postiglione Università Salerno CISC CISC = Complex Instruction Set Chip Processore dotato di molte istruzioni (non più, comunque, di 300-400) Può eseguire istruzioni complesse moltiplicare due numeri. Istruzioni eseguite da un microprogramma. Ogni istruzione per essere eseguita può richiedere vari cicli di clock. Processori Intel e AMD sono CISC # 20 Prof Alberto Postiglione Università Salerno 10
RISC Per eseguire l 80% delle elaborazioni viene utilizzato effettivamente soltanto il 20% delle istruzioni Un processore dotato di poche istruzioni (100-200) è detto RISC (Reduced Instruction Set Chip) Esegue istruzioni semplici, per moltiplicare due numeri itera la somma A*B = A+A+ +A Istruzioni eseguite dall hardware. più istruzioni eseguite in un unico ciclo. # 21 Prof Alberto Postiglione Università Salerno CISC e RISC Un processore CISC rispetto ad un processore RISC presenta molte più istruzioni che vengono eseguite tramite più operazioni elementari che quindi richiedono più cicli di clock per essere completate E che quindi sono più lente delle corrispondenti operazioni RISC D altro canto, le istruzioni di un processore CISC che non sono presenti in un processore RISC vengono da questo simulate tramite più istruzioni ciò comporta tempi maggiori nei processori RISC, in media, ma solo per tali istruzioni da simulare, rispetto alle corrispondenti operazioni CISC # 22 Prof Alberto Postiglione Università Salerno 11
CISC e RISC I processori RISC sono più economici dei CISC (il chip contiene meno elementi) I processori RISC sono mediamente più veloci dei CISC su quasi tutte le applicazioni. I processori RISC non sono adatti per elaborazioni complesse, ad esempio quelle sui dati multimediali Attualmente la differenza tra CISC e RISC si sta riducendo # 23 Prof Alberto Postiglione Università Salerno Benchmark Batterie di test usate per confrontare le velocità dei computer. Non sono mai valori assoluti. Ma sono rapportati ad un insieme di programmi (che compongono tali batterie). Un computer può risultare più veloce di un altro relativamente ad un programma ma meno veloce relativamente ad un altro. Due grandi tipologie di programmi: CPU-consuming (usano molto la CPU). E tra queste: Integer-computing (calcoli su numeri interi o su pochi numeri) Floating-point computing (lavorano su numeri reali e molto grossi) I/O-consuming (usano molto le periferiche di I/O). # 24 Prof Alberto Postiglione Università Salerno 12
Confronto CPU 1997-2005 Pentium 233 MMX del 1997 Pentium 4 La velocità di clock è aumentata di circa 40 volte -dai 100 MHz del 1995 ai 3800 MHz del 2005 Il più grosso incremento prestazionale può essere visto nella codifica DivX (MPEG 4): la codifica di una breve scena impiega circa due ore con un Pentium 233 MMX, mentre un Pentium 4 impiega meno di due minuti. Praticamente un processore del 2005 è 65 volte più veloce del processore più veloce del 1997. # 25 Prof Alberto Postiglione Università Salerno Confronto CPU 1995 2005 Un altro esempio che possiamo riportare riguarda la codifica in MP3. Nel 1995, un Pentium 100 necessitava 77 minuti per 17 minuti di sequenza audio, mentre un moderno Athlon 64 FX-55 fa lo stesso lavoro in un minuto e mezzo, praticamente il processore del 2005 è 51 volte più veloce di quello di 11 anni prima. Nel 1994 un Pentium 100 era costituito da 3.3 milioni di transistor, mentre il Pentium 4 Extreme Edition (2005), conta 178 milioni di transistor. Circa 55 transistor sono ora presenti dove 11 anni prima ne era presente solo uno. # 26 Prof Alberto Postiglione Università Salerno 13
Anteprima ultimo tipo di processore NUOVISSIMO Processore a 100 bit completo di mouse # 27 Prof Alberto Postiglione Università Salerno 14