Cos’è una CPU? Il cuore operativo del computer

La CPU è il cuore operativo del computer. In par­ti­co­la­re, contiene la potenza di calcolo es­sen­zia­le per le attività che il PC deve svolgere ogni giorno.

L’ab­bre­via­zio­ne CPU sta per Central Pro­ces­sing Unit, tra­du­ci­bi­le come “unità centrale di ela­bo­ra­zio­ne”. In italiano viene spesso chiamato sem­pli­ce­men­te pro­ces­so­re. Il pro­ces­so­re è il com­po­nen­te hardware centrale e quindi il cuore operativo del PC. Senza di esso, un computer non può fun­zio­na­re. Questo perché la CPU è re­spon­sa­bi­le di tutti i calcoli necessari al fun­zio­na­men­to del PC.

Per capire l’im­por­tan­za della CPU, è ne­ces­sa­rio com­pren­de­re il fun­zio­na­men­to di base di un computer. I calcoli del computer sono eseguiti dalle co­sid­det­te istru­zio­ni macchina, che possono essere con­si­de­ra­te come istru­zio­ni per il pro­ces­so­re. Tutte le istru­zio­ni della macchina possono essere rap­pre­sen­ta­te come sequenze di uno e di zero, cioè nel co­sid­det­to codice binario. Questo accade anche nel computer, perché la CPU può elaborare solo istru­zio­ni binarie.

Non esiste un solo pro­ces­so­re, ma un’intera gamma di CPU diverse. Queste si di­stin­guo­no prin­ci­pal­men­te per il numero di core. Ma il campo di ap­pli­ca­zio­ne delle CPU permette anche di dif­fe­ren­zia­re i diversi tipi di pro­ces­so­re. Na­tu­ral­men­te, anche i pro­dut­to­ri variano. Il mercato è dominato da due aziende in par­ti­co­la­re, Intel e AMD.

Le CPU single-core hanno un solo core. Ciò significa che possono elaborare un solo compito alla volta. Sono le CPU più vecchie e oggi vengono uti­liz­za­te raramente perché molte ap­pli­ca­zio­ni moderne pre­di­li­go­no la gestione di più processi con­tem­po­ra­nea­men­te.

La con­tro­par­te dei pro­ces­so­ri single-core sono le CPU multicore. Sono ca­rat­te­riz­za­te dal fatto di avere più core. Spesso hanno due o quattro core (dual o quad core), ma non è raro che il loro numero sia maggiore. I pro­ces­so­ri con un numero molto elevato di core sono uti­liz­za­ti so­prat­tut­to nel fun­zio­na­men­to dei server. Il vantaggio dei pro­ces­so­ri multicore è evidente: grazie alle diverse unità in­di­pen­den­ti, sono in grado di eseguire diversi compiti in parallelo, con­sen­ten­do così un lavoro più fluido e veloce.

Se lavorate con un PC tra­di­zio­na­le, siete in possesso di una co­sid­det­ta CPU per desktop. Si tratta dei pro­ces­so­ri in­stal­la­ti nei PC. Molte CPU per desktop moderni includono anche una scheda grafica integrata, suf­fi­cien­te per le ap­pli­ca­zio­ni standard.

Fon­da­men­tal­men­te, non ci sono dif­fe­ren­ze so­stan­zia­li tra i pro­ces­so­ri per desktop e quelli per di­spo­si­ti­vi mobili. Nella maggior parte dei casi, si dif­fe­ren­zia­no prin­ci­pal­men­te per il consumo di energia. In generale, tuttavia, le CPU per desktop sono con­si­de­ra­te più potenti delle loro con­tro­par­ti in­stal­la­te in di­spo­si­ti­vi mobili, come i notebook.

I pro­ces­so­ri uti­liz­za­ti all’interno dei server sono diversi dalle CPU dei computer portatili e dei PC: hanno un numero di core molto più elevato per eseguire in modo ef­fi­cien­te molte ope­ra­zio­ni si­mul­ta­nee. Inoltre, i server di solito fun­zio­na­no 24 ore su 24, quindi il carico elevato può essere com­pen­sa­to con il numero di core.

Il pro­ces­so­re esegue le ope­ra­zio­ni es­sen­zia­li del computer. In linea di massima, si possono di­stin­gue­re tre compiti prin­ci­pa­li di una CPU:

1. Ela­bo­ra­zio­ne delle istru­zio­ni. L’unità di calcolo è re­spon­sa­bi­le dell’ela­bo­ra­zio­ne delle istru­zio­ni ricevute e della re­sti­tu­zio­ne dei risultati cor­ri­spon­den­ti.
2. Co­mu­ni­ca­zio­ne con i di­spo­si­ti­vi di ingresso e uscita o con la pe­ri­fe­ri­ca. L’unità di controllo è re­spon­sa­bi­le di questo aspetto. Si occupa anche dell’in­te­ra­zio­ne tra i singoli com­po­nen­ti del pro­ces­so­re.
3. Scambio di dati. Un PC tra­di­zio­na­le è co­sti­tui­to da molti com­po­nen­ti, ad esempio diversi tipi di memoria o la scheda grafica. Con il sistema bus, un pro­ces­so­re ga­ran­ti­sce l’invio di dati tra i diversi com­po­nen­ti.

La maggior parte delle CPU moderne è composta da diversi core identici. All’interno di questi core sono presenti vari com­po­nen­ti; tuttavia, come minimo, un core comprende un’unità di calcolo, registri, un’unità di controllo e un sistema bus.

• Unità di calcolo: l’unità di calcolo, nota anche con l’ab­bre­via­zio­ne Ari­th­me­tic Logic Unit o ALU, è re­spon­sa­bi­le del calcolo delle funzioni arit­me­ti­che e logiche.
• Registri: i registri sono memorie a cui si può accedere in modo par­ti­co­lar­men­te rapido grazie alla loro pros­si­mi­tà all’unità di calcolo.
• Unità di controllo: l’unità di controllo è nota anche come cen­tra­li­na ed è es­sen­zial­men­te re­spon­sa­bi­le della sequenza di ela­bo­ra­zio­ne dei comandi.
• Sistema bus: il sistema bus è co­sti­tui­to da linee di dati che collegano tra loro i com­po­nen­ti di un PC.

Oltre a questi com­po­nen­ti centrali, le CPU possono contenere anche altri com­po­nen­ti che sono diventati in­di­spen­sa­bi­li nei pro­ces­so­ri moderni.

• Memory Ma­na­ge­ment Unit: Memory Ma­na­ge­ment Unit, o MMU, gestisce l’accesso alla RAM del computer tra­du­cen­do gli indirizzi di memoria virtuale in indirizzi fisici.
• Cache: la cache è una memoria tem­po­ra­nea, spesso a più livelli.
• Unità in virgola mobile: l’unità a virgola mobile è un’unità di calcolo spe­cia­liz­za­ta per la gestione dei numeri decimali.

L’ela­bo­ra­zio­ne delle singole istru­zio­ni all’interno della CPU è in­cre­di­bil­men­te veloce. Ad esempio, quando si preme un tasto sulla tastiera, di solito si vede subito la lettera cor­ri­spon­den­te sul monitor. Tuttavia, sono necessari molti passaggi in back­ground per garantire che l’ela­bo­ra­zio­ne delle istru­zio­ni avvenga senza intoppi. La sequenza di base dell’ela­bo­ra­zio­ne dei comandi può essere suddivisa in quattro fasi fon­da­men­ta­li:

1. Fetch: in primo luogo, l’indirizzo dell’istru­zio­ne suc­ces­si­va della macchina viene letto dalla RAM del computer.
2. Decode: quindi il comando viene de­co­di­fi­ca­to e i circuiti cor­ri­spon­den­ti vengono caricati.
3. Fetch Operands: suc­ces­si­va­men­te, tutti i parametri necessari per il comando vengono caricati nei registri. I valori scritti nei registri si trovano nella memoria prin­ci­pa­le, nella RAM o nella cache.
4. Execute: infine, avviene l’ese­cu­zio­ne del comando.

Queste quattro fasi si ripetono pra­ti­ca­men­te in un ciclo continuo: non appena è stata com­ple­ta­ta un’istru­zio­ne, viene se­le­zio­na­to il comando suc­ces­si­vo ed elaborato dal pro­ces­so­re. L’ordine di ese­cu­zio­ne dei comandi dipende da procedure di pia­ni­fi­ca­zio­ne, grazie alle quali si ga­ran­ti­sce che il sistema si comporti in modo equi­li­bra­to.

La potenza di un pro­ces­so­re dipende da diversi fattori. Da un lato, la co­sid­det­ta lunghezza delle parole è rilevante, poiché specifica quanto può essere lunga una parola macchina. Ad esempio, determina quanti bit possono essere letti con­tem­po­ra­nea­men­te dalla RAM o in quale in­ter­val­lo possono essere elaborati numeri interi o in virgola mobile. I computer più comuni hanno un’ar­chi­tet­tu­ra di 32 o 64 bit.

Anche il numero di core della CPU gioca un ruolo decisivo nella va­lu­ta­zio­ne delle pre­sta­zio­ni di un pro­ces­so­re: più core ha un pro­ces­so­re, più compiti possono essere elaborati in parallelo. Anche la di­stri­bu­zio­ne del carico all’interno del sistema funziona meglio con un numero crescente di core.

Ma non è solo il numero di core a fare la dif­fe­ren­za. Almeno al­tret­tan­to im­por­tan­te per le pre­sta­zio­ni di una CPU è la frequenza di clock a cui operano i singoli core. La frequenza di clock è spe­ci­fi­ca­ta in hertz o gigahertz. In pratica, maggiore è la frequenza di clock, maggiore è il numero di istru­zio­ni macchina che la CPU può elaborare al secondo.

Tuttavia, anche l’orologio di base della scheda madre svolge un ruolo nella frequenza di clock, che può essere impostata ma­nual­men­te nel BIOS per alcune schede madri. Inoltre, la frequenza di clock non può essere aumentata a piacere, ma è sempre limitata dalla tem­pe­ra­tu­ra della CPU. Se l’aumento è eccessivo, il pro­ces­so­re potrebbe dan­neg­giar­si. Anche per questo motivo, l’over­cloc­king della CPU richiede un certo tipo di co­no­scen­ze.

Cos’è più de­ter­mi­nan­te per le pre­sta­zio­ni di una CPU: il numero di core o la frequenza di clock? Purtroppo, non esiste una risposta de­fi­ni­ti­va a questa domanda. Dipende non solo dall’utilizzo che se ne fa, ma anche dal pro­ces­so­re stesso.

I pro­ces­so­ri moderni sono spesso più ef­fi­cien­ti nell’ela­bo­ra­zio­ne delle istru­zio­ni e possono quindi fornire le stesse pre­sta­zio­ni con una frequenza di clock inferiore rispetto ai pro­ces­so­ri più vecchi con una frequenza di clock superiore. Inoltre, le CPU moderne offrono spesso la pos­si­bi­li­tà di mul­ti­th­rea­ding o hy­per­th­rea­ding, in modo che diversi thread possano essere eseguiti in parallelo su un core.

Se sul computer eseguite ap­pli­ca­zio­ni che traggono vantaggio da più core e dalla gestione parallela dei processi, allora vale la pena di ricorrere a un numero di core cor­ri­spon­den­te­men­te elevato per di­stri­bui­re l’utilizzo della CPU nel miglior modo possibile. Tali ap­pli­ca­zio­ni includono l’uso di macchine virtuali o il rendering. Questo perché il carico di lavoro di tali programmi può essere di­stri­bui­to molto bene.

Se uti­liz­za­te il vostro PC prin­ci­pal­men­te per ap­pli­ca­zio­ni che non possono di­stri­bui­re così bene il loro carico di lavoro, ad esempio i vi­deo­gio­chi per computer, allora è la frequenza di clock a fare la dif­fe­ren­za.

I pro­ces­so­ri moderni hanno spesso una di­stri­bu­zio­ne in­tel­li­gen­te del carico di lavoro tra i core della CPU. Se il carico di lavoro corrente può essere di­stri­bui­to in modo ef­fi­cien­te su più core, la CPU procederà a farlo e uti­liz­ze­rà di con­se­guen­za tutti i core di­spo­ni­bi­li. I singoli core fun­zio­na­no quindi a una frequenza di clock inferiore. Tuttavia, se l’uso di più core non è ra­gio­ne­vo­le o ne­ces­sa­rio, la frequenza di clock dei core uti­liz­za­ti viene aumentata.