IL PROCESSORE NEL PERSONAL COMPUTER

Materia: LABORATORIO DI SISTEMI E RETI
Unità: IL PROCESSORE NEL PERSONAL COMPUTER
IL PROCESSORE NEL PERSONAL COMPUTER
Identificare un Processore
Il Nome Generico di un processore è, generalmente, un nome studiato e scelto per soli fini pubblicitari.
Esso serve per promuovere il prodotto presso il grande pubblico, attraverso un messaggio semplice ed
efficace ma, proprio per questo, privo di qualsiasi indicazione tecnica.
Il Nome del Core (più brevemente, Core) di un processore indica con precisione quale sia
il “progetto” sulla base del quale è stato realizzato il nucleo (core) del processore. Esso
consente di conoscere le tecnologie specifiche che caratterizzano il processore e di
comprendere le differenze che lo distinguono da altri processori basati su core diversi.
 Esempi di “core”, su cui si basano i processori Intel, sono Bloomfield (2008), Ivy Bridge
(2012), Broadwell (2015), ecc.
 E’ ricorrente che processori con uno stesso Nome Generico, siano basati su Core diversi.
E’ anche usuale che su uno stesso Core possono essere basati diversi modelli di processori.
Il Processor Number (o Nome Commerciale) è una sigla (in parte letterale e in
parte numerica) che identifica con esattezza un determinato modello di processore.
Conoscere il Processor Number è quindi il modo più sicuro per identificare un
processore.
 Esempi di “processor number” di processori Intel sono: Core i7-4790, Core i75775C, Core i7-980X Extreme Edition, ecc.
Il Socket
Il Socket (zoccolo) di un Processore è il connettore fisico sul quale viene installato il
Processore sulla Scheda Madre.
 Esistono diversi tipi di Socket, fra i quali ricordiamo, per i processori Intel: il Socket 775
(Pentium 4, Core2 Duo, Core2 Quad), il Socket 1156 (Core i3 e Core i5) e il Socket
1366 (Core i7), ecc.
I Socket più recenti sono tutti di tipo LGA (Land Grid Array) ossia i “piedini” si trovano
sullo zoccolo, anziché sul processore, come accadeva per i socket utilizzati anni fa.
Il Numero di Core
I moderni processori sono ormai a tutti gli effetti dei Processori Multicore e contengono al loro interno più di un core
(tipicamente 2, 4, 6 o 8). Ogni core è un nucleo di elaborazione indipendente e ciascun core viene utilizzato dal software
come se fosse un processore a se stante, capace di eseguire del codice macchina.
Richiami ai Segnali Periodici ad Onda Quadra
Come molti componenti interni di un PC, anche il Processore opera in modo
sincrono ossia effettua le operazioni in accordo con un segnale di
temporizzazione chiamato Clock.
Un Segnale di Clock è un segnale elettrico periodico ad onda quadra.
L’intervallo di tempo in cui un segnale periodico si ripete è chiamato Periodo del
segnale (T) e si misura in Secondi o nei suoi sottomultipli: millisecondo (ms), microsecondo (µs), nanosecondo (ns).
Il numero di volte in cui il segnale si ripete in un secondo è chiamata Frequenza del segnale (f) e si misura in Hertz o
nei suoi multipli: kilohertz (KHz), megahertz (MHz), gigahertz (GHz).
Fra Frequenza e Periodo sussiste la relazione: f = 1 / T (oppure T = 1 / f ).
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Quando il segnale a onda quadra passa dal valore basso a quello alto, si parla di Fronte di Salita del segnale.
Quando il segnale a onda quadra passa dal valore alto a quello basso, si parla di Fronte di Discesa del segnale.
La Frequenza di Lavoro di un Processore
Ogni volta che il Clock presenta un Fronte di Salita, il processore effettua una operazione: di conseguenza, maggiore è
la frequenza del clock di un processore, più velocemente il processore effettua le operazioni.
Nei moderni PC, la Scheda Madre genera un Segnale di Clock di Base, generalmente di frequenza abbastanza
bassa, e lo trasmette ai diversi componenti da sincronizzare, fra i quali anche il Processore.
Il Processore, dovendo funzionare a frequenze molto più
elevate, modifica internamente il Clock di Base
moltiplicandone la frequenza per un Numero Intero (chiamato
Moltiplicatore) e creando così il Clock interno del
Processore.
La Frequenza del Clock Interno, chiamata Frequenza di Lavoro e il Moltiplicatore, sono delle caratteristiche
specifiche di ogni modello di processore.
Il Canale di Connessione con il ChipSet
Nei moderni PC, il Processore è connesso al ChipSet attraverso un canale dedicato che, a seconda del tipo di
architettura, ha nome e caratteristiche diverse. Di seguito sono riportati i principali tipi di connessioni presenti nelle
soluzioni Intel.
Il QPI (Quick Path Interconnect) è il più recente e prestazionale canale introdotto da
Intel per connettere il Processore al ChipSet. In realtà QPI è una tecnologia di
connessione che consente di collegare in modalità punto-punto anche più processori fra
loro, ideale quindi per efficienti architetture multiprocessore.
Il DMI (Direct Media Interface) è un canale meno prestazionale del QPI, basato sul PCI
Express e utilizzato nelle architetture di fascia medio-bassa.
L’FSB (Front Side Bus) è il canale utilizzato fino a qualche anno fa.
La Memoria Cache
Una Memoria Cache è una speciale memoria che si interpone fra il Processore e la RAM e consente di velocizzare le
operazioni di lettura/scrittura. Si tratta di una memoria di capacità bassa ma prestazioni molto elevate e, ormai da tanti
anni, è integrata all’interno del Processore stesso.
Quando un dato viene richiesto dal Processore esso viene letto dalla RAM, copiato nella
Memoria Cache e quindi trasmesso al Processore. Il vantaggio si ha quando questo dato
viene richiesto una seconda volta: trovandosi già nella Cache (che è più veloce della RAM),
esso può essere fornito al Processore più rapidamente.
E’ altamente probabile che, se il Processore ha richiesto un dato alla RAM, subito dopo
richiederà dati subito successivi a quello richiesto: per questo il Controller della Cache,
assieme al dato richiesto, carica preventivamente anche un blocco di dati che in RAM si
trovano subito dopo quello richiesto. Quando il Processore richiederà i dati successivi, essi
saranno già nella Cache e potranno essere letti più velocemente.
Il meccanismo della Cache funziona così bene che nei moderni Processori esistono diversi
Livelli di Memoria Cache.
In un tipico Processore attuale, sono presenti 3 Livelli di Cache: la Cache di Livello 1 (L1)
è quella più piccola e lavora direttamente connessa al Core del Processore (quindi c’è una
cache L1 per ogni Core); la Cache di Livello 2 (L2) è generalmente un po’ più grande
della L1 ed è anch’essa legata ad un Core (quindi c’è una cache L2 per ogni Core); infine
c’è una Cache di Livello 3 (L3), comune a tutti i Core e di dimensioni maggiori.
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Processo Produttivo, Tensione di Alimentazione e Consumo Massimo
Il Processo Produttivo indica la Tecnologia utilizzata per integrare i Componenti
Elettronici (Transistor) di cui il Processore è composto. Esso si esprime con la
Dimensione del Gate di un Transistor interno al Processore generalmente misurata
in nm (nano-metri = miliardesimi di metro).
Processi Produttivi tipici degli attuali Processori sono 45 nm e 32 nm, mentre solo
da poco sono apparsi processori con tecnologia a 22 nm.
Assieme al Processo Produttivo, viene spesso indicato anche il Numero di
Transistor integrato nel Processore, con valori che attualmente superano
ampiamente un miliardo di Transistor.
Alla riduzione progressiva del Processo Produttivo si è accompagnata anche un abbassamento della Tensione di
Alimentazione del Processore che oggi ha raggiunto valori molto bassi, di poco sopra 1 Volt.
Ciò ha consentito di diminuire la corrente elettrica circolante nei circuiti, di ridurre la produzione di calore e ha permesso
quindi di abbassare anche il Consumo Massimo, ossia la Potenza Elettrica assorbita, che si esprime in Watt.
Tecnologie Particolari
I vari Core che si sono susseguiti nel corso del tempo, hanno introdotto progressivamente nei Processori nuove
funzionalità e Tecnologie Particolari, fra le quali citiamo brevemente:
XD-Bit: impedisce di scrivere codice in aree destinate ai dati, proteggendo contro l’esecuzione di malware;
Hyper-Theading: consente al SO di “vedere” un core fisico come 2 core logici, ottimizzando l’esecuzione;
Speed-Step: modifica dinamicamente la frequenza in base al carico di lavoro, utile per il risparmio energetico;
Turbo-Mode: aumenta la frequenza quando
vengono utilizzati solo alcuni dei core
disponibili (vedi figura);
Vanderpool Tecnology: è il supporto alla
“virtualizzazione”
ossia
all’esecuzione
contemporanea di più S.O..
SET di Istruzioni dei Processori
Il Set di Istruzioni è l’insieme delle Istruzioni in Linguaggio Macchina che un Processore è in grado di eseguire in modo
nativo.
Il Set di Istruzioni denominato “x86”, divenuto uno standard di fatto ai tempi dell’ingresso del colosso informatico IBM
nel settore dei PC, è sempre stato supportato pienamente da tutti le Generazioni di Processori successive.
Sono state però più volte introdotte delle Estensioni del Set di Istruzioni, con l’aggiunta di nuove istruzioni mirate
soprattutto a migliorare l’elaborazione multimediale (estensioni MMX, SSE, SSE1, SSE2, SSE3, SSE4, AVX).
Una evoluzione particolarmente significativa è stata il passaggio da una architettura interna con registri e istruzioni a 32
bit alla nuova e più potente Architettura a 64 bit con un Set di Istruzioni denominato EM64T, nei processori Intel.
Tendenze Evolutive nei Moderni Microprocessori
Un’evoluzione che si sta affermando nelle moderne architetture dei Processori per Personal Computer, è la tendenza a
integrare nel processore componenti che finora erano presenti nel Chipset (più precisamente nel Northbridge).
E’ ormai usuale integrare nel Processore il Controller della RAM, per pilotare direttamente i moduli di memoria.
Allo stesso modo, sono ormai direttamente connessi al processore dei bus veloci, come il PCI-Express 16x,
destinato a scambiare dati con la Scheda Grafica.
E’ sempre più ricorrente trovare sul mercato anche processori che integrano al loro interno una vera e propria GPU
(Graphic Processing Unit) con le funzioni complete di una vera e propria Scheda Grafica.
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