Appunti sulla struttura del processore

PROCESSORI

Il processore (o CPU Central Processing Unit) è un componente

hardware fondamentale che esegue istruzioni e calcoli per far

funzionare programmi e il sistema operativo

E’ capace di eseguire un unico set di istruzioni abbastanza

limitato (dalle decine alle poche centinaia di istruzioni).

Il processore è capace di eseguire istruzioni codificate in

linguaggio macchina (stringhe di bit).

Il processore è composto da 3 parti principali:

● CU: Unità di controllo

● ALU: Arithmetic Logic Unit

● Registri

Modello generale processore

● Rn (registri di macchina): rappresentano i registri. Capiamo

che questo è un modello a registri generici in quanto i registri

sono numerati e non vengono identificati da un nome preciso.

● PC (program counter): un registro contenente puntatore che

indica all’indirizzo di memoria della prossima istruzione. Di

solito è un registro di sola lettura.

● D (decode): indica l’istruzione che deve essere eseguita

● ALU (Arithmetic Logic Unit): La centrale di calcolo della

CPU. Ha due registri: O1 e O2 che rappresentano gli operandi

delle istruzioni da eseguire. U ne rappresenta l'uscita. Può

essere sia interna alla CPU (per architetture elementari) o

esterna (per architetture più complesse)

● MA (Memory Address Register): un registro di solo output

interno alla CPU che contiene l’indirizzo della cella di memoria

o del dispositivo con cui si vuole comunicare ed è collegato al

bus degli indirizzi. La sua dimensione indica la quantità

massima indirizzabile

● MB (Memory Buffer Register): registro che contiene i dati

scambiati tra CPU e memoria ed è collegato al bus dei dati,

permettendo sia operazioni di lettura che di scrittura.

La dimensione di MB è legata alla parola di macchina

dell'architettura.

● I processori possono anche avere dei registri vettoriali. Se di

solito i registri sono costituiti da un array di FF D, i registri

vettoriali sono una matrice di essi. I processori che

supportano registri vettoriali dispongono di un set di

istruzioni vettoriali (SIMD) che permettono di eseguire la

stessa operazione su più dati in parallelo con una singola

istruzione.

● Nel processore esistono delle flag che indicano il risultato

dello scorso confronto:

FLAG SIGNIFICATO

V overflow

Z zero

C carry

N negativo

P positivo

* bit di parità

Questo è ovviamente un modello semplificato. Nella realtà i

processori possono differire dal modello generale (chip che

potenziano l’ALU, numero maggiore di registri generici, locazioni di

memoria che prendono il posto di registri macchina)

CATEGORIE E STATO DEI

PROCESSORI

I processori sono categorizzabili seguendo tre categorie:

● a byte o a word in base a come viene indirizzata la memoria

● voce o a carattere in base al tipo di dato sul quale lavora il

processore

● architettura

Indirizzamento

● a byte: ogni indirizzo di memoria indica un solo byte. Se ad

esempio abbiamo una parola “10011010 10111010”, questa

occuperà due spazi di memoria in quanto composta da 2 byte:

CELLA VALORE

00 10011010

01 10111010

● a word: in ogni indirizzo di memoria viene salvata un'intera

word. Sempre prendendo in considerazione l’esempio

precedente quindi:

CELLA VALORE

00 1001101010111010

01 word successiva

Operazioni

● voce: i processori lavorano su intere word di dimensione

prefissata. Solitamente la dimensione viene decisa in base

all’istruzione con il numero di bit maggiore

● carattere: le operazioni vengono effettuate sui singoli caratteri

delle stringhe che in questo caso sono di lunghezza variabile

Struttura

● modello registri generici: sono costituiti da una serie di

registri generici. Ciò viene fatto perché a volte alcuni dati più

importanti hanno bisogno di trovarsi più vicini alla CPU.

● modello accumulatore: utilizzano un operatore implicito per

tutte le operazioni logiche

● modello a stack: tutte le operazioni vengono effettuate

usando lo stack pointer. Risulta un metodo più lento rispetto

agli altri due.

● ortogonali: un'architettura dotata del solo registro di stato e di

un unico bando di registri generali, alcuni dei quali,

all'occorrenza, utilizzati come registri speciali

Stati

Infine, i processori possono trovarsi in due stati differenti: