Microprocessore

Tipo	Processore ( in )

Scoperta

Datato	1971

Un microprocessore è un processore di cui tutti i componenti sono stati sufficientemente miniaturizzati per essere raggruppati in un'unica scatola . Dal punto di vista funzionale, il processore è la parte di un computer che esegue istruzioni ed elabora i dati del programma .

Descrizione

Fino ai primi anni '70 , i vari componenti elettronici necessari per il funzionamento di un processore non potevano stare su un unico circuito integrato , che richiedeva l'interconnessione di molti componenti tra cui diversi circuiti integrati. Nel 1971, l'azienda americana Intel riuscì, per la prima volta, a collocare tutti i componenti che costituiscono un processore su un unico circuito integrato, dando così origine al microprocessore.

Questa miniaturizzazione ha reso possibile:

aumentare le velocità operative dei processori, grazie alla riduzione delle distanze tra i componenti;
ridurre i costi sostituendo più circuiti con uno;
per aumentare l'affidabilità: rimuovendo le connessioni tra i componenti del processore, viene rimosso uno dei principali vettori di guasto;
creare computer molto più piccoli: microcomputer ;
ridurre il consumo di energia.

Le principali caratteristiche di un microprocessore sono:

Il set di istruzioni che varia con il tipo di microprocessore e il produttore: aggiungi due numeri, confronta due numeri per determinare se sono uguali, confronta due numeri per determinare qual è il più grande, moltiplica due numeri ... Un processore può eseguire diverse decine, anche centinaia o migliaia, di istruzioni diverse. La complessità della sua architettura Questa complessità è misurata dal numero di transistor contenuti nel microprocessore. Più transistori contiene il microprocessore, più sarà in grado di eseguire operazioni complesse, e/o elaborare grandi numeri. Il numero di bit che il processore può elaborare contemporaneamente I primi microprocessori non potevano elaborare più di 4 bit alla volta. Hanno quindi dovuto eseguire diverse istruzioni per aggiungere numeri a 32 o 64 bit. Nel 2007 i microprocessori possono elaborare numeri a 64 bit. Il numero di bit del bus , della memoria e del processore ha un impatto diretto sulla capacità di elaborare rapidamente numeri grandi o numeri ad alta precisione (numeri di posizioni decimali significative). Velocità orologio Il ruolo dell'orologio è quello di regolare il ritmo del lavoro del microprocessore. La frequenza corrisponde a quello che viene chiamato ciclo di clock. Un'istruzione, a seconda del tipo di processore e istruzione, può richiedere uno o più cicli di clock. I processori RISC su cui tutte le operazioni in linguaggio macchina sono semplici ma cablate in genere richiedono un ciclo per istruzione. Al contrario, un processore CISC , contenente un microcodice , o un'istruzione in linguaggio macchina, è quindi una serie di istruzioni cablate. Di conseguenza, in tutti i casi, a parità di tecnologia, maggiore è la frequenza, maggiore è il numero di istruzioni eseguibili.

Ad esempio, un processore A che funziona a 400 MHz può eseguire determinate istruzioni più velocemente di un altro B che funziona a 1 GHz , tutto dipende dalle rispettive architetture.

La combinazione delle suddette caratteristiche determina la potenza del microprocessore che viene espressa in "milioni di istruzioni al secondo" (MIPS). Negli anni '70, i microprocessori eseguivano meno di un milione di istruzioni al secondo, ma nel 2007 i processori potevano eseguire oltre 10 miliardi di istruzioni al secondo .

Storia

Nel 1969 , il microprocessore fu inventato da un ingegnere e un fisico di Intel , Marcian Hoff (soprannominato Ted Hoff) , e Federico Faggin , che vi aveva appena aderito, con ricerche effettuate in Italia. Federico Faggin , ingegnere italiano è nel 1968 alla Fairchild-SGS di Agrate Brianza , poi a Palo Alto con Thomas Klein , il progettista del primo circuito integrato commerciale con griglie autoallineate, il Fairchild 3708, poi project manager della Silicon Gate Technology ( SGT), il primo metodo pratico per fabbricare circuiti integrati MOS (semiconduttore/metallo/ossido) con gate autoallineati, che ha sostituito il tradizionale gate in alluminio di un transistor MOS con un gate in silicio, per integrare il doppio dei transistor nello stesso superficie. Federico Faggin viene assunto da Intel inaprile 1970, per essere il project manager, il creatore della metodologia di progettazione e il lead designer. In pochi mesi, con Marcian Hoff , dei quattro chip dell'Intel 4004, che inizialmente serviva per realizzare controller grafici in modalità testo, progettò un processore general-purpose, con licenza acquistata dalla giapponese Busicom .

Marcian Hoff ha formulato l'architettura del microprocessore (un'architettura a blocchi e un set di istruzioni). Il primo microprocessore sul mercato, il15 novembre 1971, è l' Intel 4004 a 4 bit , seguito dall'Intel 8008 a 8 bit , inizialmente utilizzato per produrre controller grafici in modalità testo. Ritenuto troppo lento dal cliente che ha richiesto il design, è diventato un processore per tutti gli usi.

Questi processori sono i precursori dell'Intel 8080 , dello Zilog Z80 e della futura famiglia Intel x86 . Federico Faggin è l'autore di una nuova metodologia di progettazione per chip e logica, inizialmente basata sulla tecnologia del gate di silicio sviluppata da lui nel 1968 a Fairchild . Ha anche guidato la progettazione del primo microprocessore fino alla sua introduzione sul mercato nel 1971 .

Quasi contemporaneamente l'azienda americana Motorola realizzava lavori e innovazioni simili sotto la direzione di Chuck Peddle , della General Electric , dove aveva progettato un registratore di cassa elettronico, ma che decise nel 1970 di abbandonare la sua attività informatica. Ha partecipato allo sviluppo del microprocessore Motorola 6800 a 8 bit, venduto poi per 300 US$, e che sarà utilizzato per i computer professionali Goupil 1 e 2 della società SMT .

Negli anni '70 comparvero i concetti di datagrammi e calcolo distribuito , con Arpanet , la rete delle Cicladi e l' Architettura di Sistema Distribuito , che nel 1978 divenne il modello “OSI-DSA” . Il microprocessore viene accolto molto rapidamente come il cardine di questo calcolo distribuito , perché permette di decentralizzare il calcolo, con macchine meno costose e meno ingombranti rispetto al monopolio IBM , prodotte in serie più grandi.

Nel 1990 , Gilbert Hyatt rivendicò la paternità del microprocessore sulla base di un brevetto che aveva depositato nel 1970 . Il riconoscimento dell'anticipo del brevetto di Hyatt avrebbe consentito alla Hyatt di rivendicare royalties su tutti i microprocessori prodotti nel mondo, ma il brevetto di Hyatt è stato invalidato nel 1995 dall'ufficio brevetti statunitense, sulla base del fatto che il microprocessore descritto nella domanda di brevetto non aveva stato prodotto, e peraltro non avrebbe potuto essere realizzato con la tecnologia disponibile al momento del deposito del brevetto.

La tabella seguente descrive le principali caratteristiche dei microprocessori prodotti da Intel, e mostra la loro evoluzione in termini di numero di transistor, miniaturizzazione dei circuiti e aumento di potenza. Va tenuto presente che se questa tabella descrive l'evoluzione dei prodotti Intel, l'evoluzione dei prodotti della concorrenza ha seguito lo stesso corso più o meno avanti o indietro.

Un programma per computer è, in sostanza, un flusso di istruzioni eseguito da un processore. Ogni istruzione richiede uno o più cicli di clock , l'istruzione viene eseguita in tanti passi quanti sono i cicli necessari. I microprocessori sequenziali eseguono l'istruzione successiva quando hanno completato l'istruzione corrente. Nel caso di parallelismo di istruzioni, il microprocessore può elaborare più istruzioni nello stesso ciclo di clock, a condizione che queste diverse istruzioni non mobilitino contemporaneamente una singola risorsa interna. In altre parole, il processore esegue istruzioni che si susseguono, e non dipendono l'una dall'altra, in diverse fasi di completamento. Questa coda di esecuzione imminente è chiamata pipeline . Questo meccanismo è stato implementato per la prima volta negli anni '60 da IBM . I processori più avanzati eseguono contemporaneamente tante istruzioni quante sono le pipeline, questo a condizione che tutte le istruzioni da eseguire in parallelo non siano interdipendenti, vale a dire che il risultato dell'esecuzione di ciascuna di esse non modificare le condizioni di esecuzione di uno degli altri. I processori di questo tipo sono chiamati processori superscalari . Il primo computer ad essere dotato di questo tipo di processore fu il Seymour Cray CDC 6600 nel 1965. Il Pentium fu il primo dei processori superscalari per PC compatibili .

I progettisti di processori non cercano semplicemente di eseguire più istruzioni indipendenti contemporaneamente, cercano di ottimizzare il tempo di esecuzione di tutte le istruzioni. Ad esempio, il processore può ordinare le istruzioni in modo che tutte le sue pipeline contengano istruzioni indipendenti. Questo meccanismo è chiamato esecuzione fuori ordine . Questo tipo di processore era essenziale per le macchine consumer negli anni '80 e '90. L'esempio canonico di questo tipo di pipeline è quello di un processore RISC (computer con set di istruzioni ridotto) in cinque fasi. L' Intel Pentium 4 ha 35 fasi di pipeline. Un compilatore ottimizzato per questo tipo di processore fornisce codice che verrà eseguito più velocemente.

Per evitare di perdere tempo in attesa di nuove istruzioni, e soprattutto il tempo necessario per ricaricare il contesto tra ogni cambio di thread , i fondatori hanno aggiunto processi di ottimizzazione ai loro processori in modo che i thread possano condividere le pipeline, le cache e i registri. Questi processi, raggruppati sotto il nome di Simultaneous Multi Threading , sono stati sviluppati negli anni 50. D'altra parte, per ottenere un aumento delle prestazioni, i compilatori devono tenere conto di questi processi, quindi è necessario ricompilare i programmi per questi tipi di processori. Intel ha iniziato a produrre processori che implementano la tecnologia SMT a due corsie nei primi anni 2000 . Questi processori, i Pentium 4 , possono eseguire contemporaneamente due thread che condividono le stesse pipeline, cache e registri. Intel ha chiamato questa tecnologia SMT bidirezionale : Hyperthreading . Il Super-threading (in) è, nel frattempo, una tecnologia SMT in cui più thread condividono anche le stesse risorse, ma questi thread vengono eseguiti solo uno dopo l'altro e non contemporaneamente.

Già da tempo l'idea di far convivere più processori all'interno dello stesso componente, ad esempio System on Chip . Ciò consisteva, ad esempio, nell'aggiungere al processore, un coprocessore aritmetico , un DSP , persino una cache di memoria, possibilmente anche tutti i componenti presenti su una scheda madre. Sono quindi comparsi processori che utilizzano due o quattro core , come POWER4 di IBM rilasciato nel 2001. Hanno le tecnologie sopra menzionate. I computer che dispongono di questo tipo di processori costano meno rispetto all'acquisto di un numero equivalente di processori. Tuttavia, le prestazioni non sono direttamente confrontabili, dipendono dal problema da trattare. Sono state sviluppate API specializzate per sfruttare appieno queste tecnologie, come i Threading Building Blocks di Intel.

Datato	Nome	Numero di transistor	Finezza di attacco (nm)	Numero di core	Frequenza di clock	Larghezza dati	MIPS
1971	Intel 4004	2.300	10.000	1	740 kHz	Bus 4 bit / 4 bit bit	0.06
1974	Intel 8080	6000	6000	1	2 MHz	Bus a 8 bit / 8 bit	0,64
1979	Intel 8088	29.000	3000	1	5 MHz	Bus a 16 bit / 8 bit	0,33
1982	Intel 80286	134.000	1.500	1	da 6 a 16 MHz (20 MHz su AMD)	16 bit / 16 bit bus	1
1985	Intel 80386	275.000	1.500	1	da 16 a 40 MHz	32 bit/32 bit bus	5
1989	Intel 80486	1.200.000 (800 nm)	da 1000 a 800	1	da 16 a 100 MHz	32 bit/32 bit bus	20
1993	Pentium ( Intel P5 )	3 100.000	da 800 a 250	1	da 60 a 233 MHz	Bus a 32/64 bit	100
1997	Pentium II	7.500.000	da 350 a 250	1	da 233 a 450 MHz	Bus a 32/64 bit	300
1999	Pentium III	9.500.000	da 250 a 130	1	da 450 a 1400 MHz	Bus a 32/64 bit	510
2000	Pentium 4	42.000.000	da 180 a 65	1	da 1,3 a 3,8 GHz	Bus a 32/64 bit	1.700
2004	Pentium 4 D (Prescott)	125.000.000	da 90 a 65	1	da 2,66 a 3,6 GHz	Bus a 32/64 bit	9.000
2006	Core 2 Duo (Conroe)	291.000.000	65	2	2,4 GHz (E6600)	Bus a 64 bit / 64 bit	22.000
2007	Core 2 Quad (Kentsfield)	2 * 291.000.000	65	4	3 GHz (Q6850)	Bus a 64 bit / 64 bit	2 * 22.000 (?)
2008	Core 2 Duo (Wolfdale)	410.000.000	45	2	3,33 GHz (E8600)	Bus a 64 bit / 64 bit	~ 24.200
2008	Core 2 Quad (Yorkfield)	2 * 410.000.000	45	4	3,2 GHz (QX9770)	Bus a 64 bit / 64 bit	~ 2 * 24.200
2008	Intel Core i7 (Bloomfield)	731.000.000	45	4	3,33 GHz (core i7 975X)	Bus a 64 bit / 64 bit	?
2009	Intel Core i5 / i7 (Lynnfield)	774.000.000	45	4	3,06 GHz (I7 880)	Bus a 64 bit / 64 bit	76.383
2010	Intel Core i7 (Città del Golfo)	1.170.000.000	32	6	3,47 GHz (core i7 990X)	Bus a 64 bit / 64 bit	147.600
2011	Intel Core i3/i5/i7 (Sandy Bridge)	1.160.000.000	32	4	3,5 GHz (core i7 2700K)	Bus a 64 bit / 64 bit
2011	Intel Core i7 / Xeon (Sandy Bridge-E)	2.270.000.000	32	da 4 a 6	3,5 GHz (core i7 3970X)	Bus a 64 bit / 64 bit	1 o 2
2012	Intel Core i3/i5/i7 (Ivy Bridge)	1.400.000.000	22	da 4 a 6	3,5 GHz (core i7 3770K)	Bus a 64 bit / 64 bit
2013	Intel Core i3/i5/i7 (Haswell)	1.400.000.000	22	da 4 a 6	3,8 GHz (core i7 4770K)	Bus a 64 bit / 64 bit
2014	Intel Core i3 / i5 / i7 (Broadwell)	1.400.000.000	14	da 4 a 10	3,8 GHz (core i7 5775R)	Bus a 64 bit / 64 bit
2015	Intel Core i3/i5/i7 (Skylake)	1.750.000.000	14	da 4 a 8	4 GHz (core i7 6700K)	Bus a 64 bit / 64 bit
2016	Intel Core i3/i5/i7 (Kabylake)	?	14	4	4,2 GHz (Core i7 7700K)	Bus a 64 bit / 64 bit
2017	Intel Core i3/i5/i7 (lago di caffè)	?	14	da 6 a 8	5,0 GHz (Core i7 8086K)	Bus a 64 bit / 64 bit
2019	Intel Core i3/i5/i7/i9 (Lago di ghiaccio)	?	10	4	4,1 GHz (core i7-1068NG7)	Bus a 64 bit / 64 bit
2019	Intel Core i3/i5/i7/i9 (Tiger Lake)	?	10	4	5,0 GHz (core i7-11375H)	Bus a 64 bit / 64 bit
2020	Intel Core i3/i5/i7/i9 (Comet Lake)	?	14	8	5,3 GHz (core i9-10900K)	Bus a 64 bit / 64 bit
2021	Intel Core i3/i5/i7/i9 (Rocket Lake)	?	14	8	5,3 GHz (core i9-11900K)	Bus a 64 bit / 64 bit
2021	Intel Core i3/i5/i7/i9 (Alder Lake)	?	10		?	Bus a 64 bit / 64 bit

Data : anno di commercializzazione del microprocessore.
Nome : il nome del microprocessore.
Numero di transistor : il numero di transistor contenuti nel microprocessore.
Finezza di attacco (nm) : la larghezza minima possibile (in nanometri ) del canale del transistor, funge indirettamente da unità di base (lambda) nel dimensionamento delle altre strutture circuitali. In confronto, lo spessore di un capello umano è di 100 micron = 100.000 nm . Il diametro di un atomo di silicio è dell'ordine di 100 μm = 0,1 nm . Nel 2014, a finezze di incisione dell'ordine di 10 nm (per la memoria), ci troviamo con alcune strutture (come lo strato isolante del gate del transistor) aventi uno spessore inferiore a 4 nm , questo che rende poche decine di atomi di silicio. Aumentando la finezza dell'incisione ci si avvicina ai limiti al di sotto dei quali il comportamento elettrico dei materiali è sempre meno questione di fisica classica, ma sempre più di meccanica quantistica (gli elettroni che passano attraverso il gate dei transistor mediante tunneling effetto).
Frequenza di clock : la frequenza del segnale di clock interno che esegue il ciclo del microprocessore. MHz = milioni (s) di cicli al secondo. GHz = miliardi (s) di cicli al secondo.
Larghezza dati : il primo numero indica il numero di bit su cui viene eseguita un'operazione. Il secondo numero indica il numero di bit trasferiti tra la memoria e il microprocessore.
MIPS : il numero di milioni di istruzioni intere eseguite dal microprocessore in un secondo.

Famiglie

I microprocessori sono generalmente raggruppati in famiglie, a seconda del set di istruzioni che stanno eseguendo. Sebbene questo set di istruzioni includa spesso una base comune a tutta la famiglia, i nuovi microprocessori di una famiglia possono presentare nuove istruzioni. La retrocompatibilità in una famiglia non è sempre assicurata. Ad esempio un cosiddetto programma compatibile x86 scritto per un processore Intel 80386 , che consente la protezione della memoria, potrebbe non funzionare su processori meno recenti, ma funziona su tutti i processori più recenti (ad esempio un Intel Core Duo o un Athlon d'AMD).

Esistono decine di famiglie di microprocessori. Tra quelli che sono stati i più utilizzati, possiamo citare:

La famiglia più nota al grande pubblico è la famiglia x86 , apparsa alla fine degli anni '70 , sviluppata principalmente dalle società Intel (produttore del Pentium ), AMD (produttore dell'Athlon ), VIA e Transmeta . Le prime due società dominano il mercato producendo dal 2006 la maggior parte dei microprocessori per personal computer compatibili con PC e Macintosh .

La tecnologia MOS 6502 che è stata utilizzata per produrre l' Apple II , Commodore PET , ei cui discendenti sono stati utilizzati per le console Commodore 64 e Atari 2600 . La tecnologia MOS 6502 è stata progettata da ex ingegneri Motorola ed è stata molto ispirata dal Motorola 6800 .

Il microprocessore Zilog Z80 è stato ampiamente utilizzato negli anni '80 nella progettazione dei primi personal microcomputer a 8 bit come il TRS-80 , il Sinclair ZX80 , ZX81 , ZX Spectrum , lo standard MSX , i CPC Amstrad e successivamente nei sistemi embedded.

La famiglia Motorola 68000 (chiamata anche m68k) a Motorola ha animato il primo Macintosh , il Mega Drive , l' Atari ST e il Commodore Amiga . I loro derivati ( Dragonball , ColdFire ) sono ancora utilizzati nei sistemi embedded.

I microprocessori PowerPC di IBM e Motorola hanno equipaggiato fino al 2006 i microcomputer Macintosh (prodotti da Apple ). Questi microprocessori sono utilizzati anche nei server della serie P di IBM e in vari sistemi di bordo . Nel campo delle console di gioco , i microprocessori derivati dai PowerPC equipaggiano la Wii ( Broadway ), il GameCube ( Gekko ), l' Xbox 360 (un derivato a tre core chiamato Xenon). La PlayStation 3 è dotata del microprocessore Cell , derivato dal POWER4, un'architettura simile al PowerPC.

I processori dell'architettura MIPS hanno animato le workstation di Silicon Graphics , console di gioco come PSone , Nintendo 64 e sistemi embedded, oltre ai router Cisco . È la prima famiglia ad offrire un'architettura a 64 bit con il MIPS R4000 nel 1991. I processori del fondatore cinese Loongson , sono una nuova generazione basata su tecnologie MIPS, utilizzate nei supercomputer e nei computer a basso consumo.

La famiglia ARM è oggi utilizzata principalmente nei sistemi embedded , inclusi molti PDA e smartphone . È stato precedentemente utilizzato da Acorn per i suoi Archimedes e RiscPC .

Velocità di esecuzione delle istruzioni

Frequenza operativa

I microprocessori sono sincronizzati da un segnale di clock (un segnale oscillante regolare che impone un ritmo al trasferimento tra i circuiti). A metà degli anni '80 , questo segnale aveva una frequenza da 4 a 8 MHz . Negli anni 2000, questa frequenza ha raggiunto i 3 GHz . Maggiore è questa frequenza, più il microprocessore può eseguire ad alta velocità le istruzioni di base dei programmi ma più deve essere curata la qualità dei bus e adattata la loro lunghezza alla frequenza.

Ci sono degli svantaggi nell'aumentare la frequenza:

la dissipazione termica di un dato circuito è proporzionale alla sua frequenza operativa e al quadrato della sua tensione di alimentazione: ciò implica disporre di un'adeguata soluzione di raffreddamento del processore;
la frequenza è limitata in particolare dai tempi di commutazione delle porte logiche : è necessario che tra due "colpi di clock", i segnali digitali abbiano avuto il tempo di percorrere tutta la strada necessaria per l'esecuzione dell'istruzione prevista; per accelerare l'elaborazione, è necessario agire su molti parametri (dimensioni di un transistor , interazioni elettromagnetiche tra i circuiti, ecc. ) che diventa sempre più difficile migliorare (pur garantendo l'affidabilità delle operazioni).

Overclock

L' overclocking consiste nell'applicare al microprocessore un segnale di clock a frequenza più elevata secondo le raccomandazioni del produttore che può eseguire più istruzioni ogni secondo. Ciò richiede spesso più alimentazione a rischio di malfunzionamenti o addirittura distruzione in caso di surriscaldamento.

Ottimizzazione del percorso di esecuzione

I microprocessori attuali sono ottimizzati per eseguire più di un'istruzione per ciclo di clock, sono microprocessori con unità di esecuzione parallelizzate. Inoltre, sono dotati di procedure che “anticipano” le seguenti istruzioni con l'ausilio di statistiche.

Nella corsa per la potenza dei microprocessori, due metodi di ottimizzazione competono:

Tecnologia RISC ( Reduced Instruction Set Computer , set di istruzioni singolo), veloce con semplici istruzioni di dimensioni standardizzate, di facile fabbricazione e la cui frequenza si può scalare l'orologio senza troppe difficoltà tecniche;
Tecnologia CISC ( Complesso Set di istruzioni Computing ), ogni istruzione complessa richiede più cicli di clock, ma ha al centro molte istruzioni pre-cablate.

Tuttavia, con la riduzione delle dimensioni dei chip elettronici e l'accelerazione delle frequenze di clock, la distinzione tra RISC e CISC è quasi completamente scomparsa. Laddove esistevano famiglie nette, oggi possiamo vedere microprocessori dove una struttura RISC interna fornisce alimentazione pur rimanendo compatibile con utilizzi di tipo CISC (la famiglia Intel x86 ha così subito una transizione tra un'organizzazione che inizialmente era molto tipica di un CISC struttura . Attualmente utilizza una molto veloce RISC nucleo , basato su un sistema di on-the-fly riarrangiamento code ) attuato, in parte, grazie alle sempre più grandi cache , comprendente fino a tre livelli.

Struttura e funzionamento

Struttura di un microprocessore

L'unità centrale di un microprocessore comprende essenzialmente:

un'unità logica aritmetica (ALU), che esegue le operazioni;
registri che consentono al microprocessore di memorizzare temporaneamente dati;
un'unità di controllo che controlla l'intero microprocessore secondo le istruzioni del programma.

Alcuni registri hanno un ruolo ben preciso:

il registro degli indicatori di stato ( flag ), questo registro fornisce in ogni momento lo stato del microprocessore, può solo essere letto;
il program counter (PC, Program Counter ), contiene l'indirizzo della prossima istruzione da eseguire;
lo stack pointer (SP, Stack Pointer ) è il puntatore ad una speciale area di memoria chiamata stack dove sono memorizzati gli argomenti delle subroutine e gli indirizzi di ritorno.

Solo il Program Counter è essenziale, ci sono (rari) processori senza registro di stato o senza puntatore allo stack (ad esempio l' NS320xx (en) ).

La centralina può anche essere suddivisa:

il registro istruzioni, memorizza il codice dell'istruzione da eseguire;
il decoder decodifica questa istruzione;
il sequenziatore esegue l'istruzione, è lui che controlla tutti gli organi del microprocessore.

Funzionamento

Per cominciare, il microprocessore caricherà un'istruzione contenuta in memoria grazie al program counter. Quest'ultimo viene incrementato di passaggio, in modo che il processore elabori l'istruzione successiva al ciclo successivo. L'istruzione viene quindi decodificata e, se necessario, il microprocessore cercherà nella memoria ulteriori dati. In alcuni casi, le istruzioni vengono utilizzate solo per caricare dati in un registro specifico o per scrivere dati da un registro in memoria. In questo caso, il processore carica o scrive i dati, quindi passa all'istruzione successiva. Nel caso in cui il processore debba eseguire un'operazione di calcolo, il processore chiama quindi l'ALU. In molte architetture, questo funziona con un registro accumulatore . In questo modo si salva il risultato dell'operazione precedente, che può essere riutilizzato. Nel caso di un salto ( goto, jump ), è il program counter che viene modificato direttamente. Nel caso di un salto condizionato ( if ), il processore verifica prima del salto che una condizione booleana sia valida ( true ). In alcuni salti ( jump ), il processore aggiunge un valore all'accumulatore. Ciò consente al programma di essere eseguito ovunque nella memoria. Le istruzioni sono quindi suddivise in diverse categorie:

Istruzioni di caricamento ( load ): portare la batteria ad un certo valore;
Memorizza istruzioni : consentono di scrivere il valore dell'accumulatore in uno specifico registro o locazione di memoria;
Istruzioni di salto ( if , jump ): permette di spostarsi seleziona la prossima istruzione da eseguire;
Istruzioni di calcolo ( add , mul , div , ecc. ): consentono ad esempio di aggiungere il contenuto del registro X all'accumulatore, di moltiplicare l'accumulatore per il registro Y, ecc.

Al termine del ciclo, il processore finisce di memorizzare i propri dati in memoria o in appositi registri. In caso di riporto, un apposito registro riceve il valore del riporto, che gli permette di essere nuovamente combinato per operare con più bit di quanti l'architettura ne consenta. In caso di errore, come una divisione per zero, il processore modifica un registro di stato e può attivare un'interruzione. Tutti questi passaggi possono essere eseguiti in più cicli di clock. Un'ottimizzazione consiste nell'eseguirli in catena (principio della pipeline) o in parallelo (architettura superscalare). Attualmente, di fronte alla difficoltà associata all'aumento della frequenza dei microprocessori, i produttori stanno cercando di aumentare il numero di istruzioni per ciclo (IPC) per aumentare la velocità dei loro processori. Ciò ha portato alla nascita di processori multi-core , composti da più unità, o core , in grado di eseguire un'istruzione indipendentemente dall'altra (a differenza di un'architettura superscalare, che mantiene i registri in comune). Parliamo quindi di calcolo in parallelo. Tuttavia, ciò richiede programmi adeguati e le prestazioni di questi processori dipendono quindi sempre più dalla qualità della programmazione dei programmi che eseguono.

Produzione

La fabbricazione di un microprocessore è essenzialmente la stessa di quella di qualsiasi circuito integrato . Segue quindi un processo complesso. Ma l'enorme dimensione e complessità della maggior parte dei microprocessori tende ad aumentare ulteriormente il costo dell'operazione. La legge di Moore , che afferma che il numero di transistor sui microprocessori a doppio chip di silicio ogni due anni, indica anche che i costi di produzione sono raddoppiati insieme al grado di integrazione.

La fabbricazione di microprocessori è oggi considerata come uno dei due fattori per aumentare la capacità delle unità produttive (con i vincoli legati alla fabbricazione di memorie di grande capacità). La finezza dell'incisione industriale ha raggiunto i 45 nm nel 2006. Riducendo ulteriormente la finezza dell'incisione, i fondatori si scontrano con le regole della meccanica quantistica .

Problema di riscaldamento

Nonostante l'uso di tecniche di incisione sempre più fini, il riscaldamento dei microprocessori rimane approssimativamente proporzionale al quadrato della loro tensione a una data architettura. Con la tensione, la frequenza e un coefficiente di regolazione, possiamo calcolare la potenza dissipata : $V$ $F$ $K$ $P$

P = k \ volte V ^ {2} \ volte f

Questo problema è legato ad un altro, quello della dissipazione del calore e quindi spesso dei ventilatori , fonti di inquinamento acustico. È possibile utilizzare il raffreddamento a liquido. L'utilizzo della pasta termica garantisce una migliore conduzione del calore dal processore al dissipatore di calore. Sebbene il riscaldamento non rappresenti un grosso problema per le applicazioni di tipo desktop, rappresenta per tutte le applicazioni portatili. È tecnicamente facile alimentare e raffreddare un computer fisso. Per le applicazioni portatili, questi sono due problemi delicati. Telefoni cellulari, laptop, fotocamere digitali, PDA e lettori MP3 hanno batterie che devono essere conservate affinché il dispositivo portatile abbia una migliore autonomia.

lungimiranza e innovazione

Materiali bidimensionali : L' elettronica bidimensionale è una via di innovazione prevista dal 2010. Si basa su microprocessori di dimensioni nanometriche, stampati in sole due dimensioni, da semiconduttori 2D di uno o pochi atomi di spessore, al fine di miniaturizzare l'elettronica al di sotto dei limiti consentiti dal silicio.
Negli anni 2010 sono stati testati con successo prototipi che includevano alcuni transistor.
I materiali organici, i nanotubi di carbonio o il bisolfuro di molibdeno sono materiali che sembrano promettenti, in particolare per la produzione di composti flessibili, che possono essere integrati ad esempio in fogli di plastica, vestiti o "robot morbidi". Il bisolfuro di molibdeno è stato utilizzato nel 2017 per fabbricare un semiconduttore per produrre un microprocessore quasi 2D, composto da 115 transistor. Quest'ultimo ha eseguito in modo efficiente programmi archiviati nella memoria esterna (per un bit di dati, ma gli autori affermano che il design può essere ridimensionato per gestirne di più). Su questa scala, i microprocessori sono invisibili e potrebbero per esempio essere integrati nel vetro di occhiali, parabrezza o finestre o in una lente oculare.

Note e riferimenti

Appunti

Questa velocità è espressa come una frequenza espressa in hertz (Hz) , che conta il numero di cicli che il clock di sincronizzazione del processore esegue in un secondo.
Questo non è l'unico motivo, ma, più piccolo è un transistor, meno energia ha bisogno per commutare correttamente.
Azienda produttrice di chip elettronici .

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Vedi anche

Bibliografia

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