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Microprocessori e CPU

I microprocessori sono il cuore di ogni sistema informatico, eseguendo istruzioni e processando dati. Scopri le loro architetture, come Von Neumann e Harvard, le componenti chiave come ALU e FPU, e il ciclo di lavoro CPU. Approfondisci il ruolo del clock, l'overclocking e i fattori che influenzano la potenza del processore, come la frequenza di clock e l'architettura interna.

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1

Definizione di CPU

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CPU sta per Central Processing Unit, è il componente principale di un computer che esegue le istruzioni e processa i dati.

2

Caratteristica architettura Von Neumann

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Memoria unificata per dati e istruzioni, permette auto-modifica del codice.

3

Uso dei DSP

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I DSP, o Digital Signal Processors, sono ottimizzati per elaborare segnali audio e video, sfruttando l'architettura Harvard.

4

La ______ è responsabile dell'interpretazione e dell'elaborazione delle istruzioni del software, prelevandole dalla ______ principale.

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CPU memoria

5

Per i calcoli in virgola mobile, la CPU utilizza una particolare unità chiamata ______.

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FPU

6

La ______ gestisce la traduzione degli indirizzi di memoria e la protezione della memoria in contesti multitasking.

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MMU

7

La CPU si coordina con il resto del sistema attraverso il segnale di ______ e utilizza le ______ per gestire le interruzioni esterne.

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clock IRQ

8

Fase di Fetch

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CPU recupera istruzione dalla memoria seguendo indirizzo del PC.

9

Fase di Decode

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CPU interpreta istruzione per identificare operazione e operandi.

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Fase di Execute

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CPU esegue operazione e aggiorna PC, salvo salti condizionali.

11

Il segnale che coordina le operazioni dei componenti elettronici in un sistema digitale è generato da un ______ al quarzo.

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oscillatore

12

La ______ di un sistema digitale, espressa in GHz, è cruciale per stabilire la velocità del processore.

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frequenza di clock

13

Aumentare la frequenza di clock oltre il valore standard può causare problemi di ______ e ______.

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instabilità surriscaldamento

14

Architetture CPU: CISC vs RISC

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CISC: istruzioni complesse, prevalente nei desktop. RISC: istruzioni semplici, comune nei dispositivi mobili.

15

CPU superscalari

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Capaci di eseguire più istruzioni per ciclo di clock, aumentando l'efficienza.

16

Tecnologie per incrementare prestazioni CPU

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Esempi: Hyper-Threading di Intel e architettura Bulldozer di AMD.

17

Per installare o aggiornare un ______, è fondamentale che sia compatibile con il ______ della scheda madre.

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processore socket

18

La ______ della RAM deve corrispondere alle specifiche del ______ per prevenire limitazioni nelle prestazioni.

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frequenza processore

19

Il ______ (Potenza di Progetto Termico) del processore è cruciale per assicurare un ______ efficace.

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TDP raffreddamento

20

Tipi di RAM: DRAM vs SRAM

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DRAM è volatile e richiede refresh periodici. SRAM è più veloce, non volatile e non richiede refresh.

21

Caratteristica principale della ROM

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Non volatile, conserva i dati anche senza alimentazione.

22

Funzionamento delle memorie DDR

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Effettuano trasferimenti di dati su entrambi i fronti del segnale di clock, raddoppiando la banda passante.

23

La ______ è un tipo di memoria veloce che conserva dati e istruzioni spesso usati dal ______ per diminuire il tempo di accesso alla memoria principale.

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cache processore

24

Un ______ si verifica quando il processore trova i dati necessari già nella cache, mentre la cache è strutturata in ______ (L1, L2, L3) con capacità e velocità in aumento.

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cache hit livelli

Q&A

Ecco un elenco delle domande più frequenti su questo argomento

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Definizione e Classificazione dei Microprocessori

Il microprocessore, comunemente noto come processore o CPU (Central Processing Unit), rappresenta il cuore di ogni sistema informatico, essendo il componente che esegue le istruzioni del programma e processa i dati. Le architetture di CPU si distinguono principalmente in Von Neumann e Harvard. Nell'architettura Von Neumann, memoria per dati e istruzioni è unificata, permettendo la possibilità di auto-modifica del codice. Al contrario, l'architettura Harvard separa fisicamente la memoria delle istruzioni da quella dei dati, migliorando le prestazioni in applicazioni specifiche come i DSP (Digital Signal Processors), utilizzati per elaborare segnali audio e video.
Microprocessore con superficie riflettente e pin dorati al centro, affiancato da moduli RAM su circuito verde e scheda madre sfocata sullo sfondo.

Funzioni e Componenti Principali della CPU

La CPU è incaricata di interpretare e processare le istruzioni del software, leggendole dalla memoria principale. Essa è composta da una ALU (Arithmetic Logic Unit) per le operazioni matematiche e logiche, una CU (Control Unit) che gestisce il flusso delle istruzioni, una FPU (Floating Point Unit) per i calcoli in virgola mobile, e una MMU (Memory Management Unit) che si occupa della traduzione degli indirizzi di memoria e della protezione della memoria in ambienti multitasking. La CPU si avvale di bus interni per la comunicazione tra i suoi componenti e utilizza segnali esterni come il Reset, le IRQ (Interrupt Request) e il segnale di clock per sincronizzarsi con il resto del sistema.

Il Ciclo di Lavoro della CPU

Il ciclo operativo della CPU si sviluppa attraverso tre fasi principali: Fetch, Decode ed Execute. Nella fase di Fetch, la CPU recupera l'istruzione dalla memoria, seguendo l'indirizzo indicato dal registro PC (Program Counter). Durante il Decode, la CPU interpreta l'istruzione per determinare quale operazione eseguire e dove reperire gli operandi necessari. Infine, nella fase Execute, la CPU realizza l'operazione e aggiorna il PC, a meno che l'istruzione non implichi un salto condizionale che modifichi il flusso di esecuzione.

Il Clock e l'Overclocking

Il clock di un sistema digitale è un segnale periodico generato da un oscillatore al quarzo che coordina le operazioni dei vari componenti elettronici. La frequenza di clock, misurata in GHz, è fondamentale per determinare la velocità di esecuzione del processore. L'overclocking è una pratica che consiste nell'aumentare la frequenza di clock oltre il valore predefinito dal produttore, per migliorare le prestazioni del sistema, ma può comportare rischi di instabilità e surriscaldamento.

Fattori che Determinano la Potenza del Processore

La potenza di un processore è determinata da vari fattori, inclusi la frequenza di clock, l'architettura interna e la dimensione della cache. Le architetture CISC (Complex Instruction Set Computer) e RISC (Reduced Instruction Set Computer) rappresentano due filosofie progettuali differenti, con la prima prevalente nei computer desktop e la seconda nei dispositivi mobili. Le CPU moderne possono essere superscalari, ovvero capaci di eseguire più istruzioni per ciclo di clock, e possono integrare tecnologie come l'Hyper-Threading di Intel o l'architettura Bulldozer di AMD per incrementare le prestazioni.

Installazione e Compatibilità della CPU

L'installazione o l'aggiornamento di una CPU richiede la compatibilità con il socket della scheda madre, il chipset, l'alimentatore e la memoria RAM. La frequenza della RAM deve essere adeguata alle specifiche del processore per evitare colli di bottiglia che ne limitino le prestazioni. È importante anche considerare il TDP (Thermal Design Power) del processore per garantire un adeguato raffreddamento.

Memoria Centrale e Tipologie di RAM

La memoria centrale di un computer è composta da RAM (Random Access Memory) e ROM (Read Only Memory), espressa in Megabyte o Gigabyte. La RAM è tipicamente volatile, come la DRAM, che richiede refresh periodici, mentre la ROM è non volatile e conserva i dati anche senza alimentazione. Le SRAM, più veloci delle DRAM, non necessitano di refresh. Le memorie DDR (Double Data Rate) sono una versione avanzata delle SDRAM che effettuano trasferimenti di dati su entrambi i fronti del segnale di clock, raddoppiando la banda passante.

Organizzazione e Funzionamento della Cache

La cache è una memoria ad alta velocità che immagazzina dati e istruzioni frequentemente utilizzati dal processore per ridurre i tempi di accesso alla memoria principale. Un cache hit si verifica quando i dati richiesti sono già presenti in cache. La cache è organizzata in livelli (L1, L2, L3) con dimensioni e velocità crescenti. La sua efficacia è valutata dal hit rate, che indica la percentuale di accessi soddisfatti dalla cache rispetto al totale degli accessi alla memoria.