CPU – microprocessore

Definizione

La CPU (central processing unit) è un MICROPROCESSORE programmabile che, in un unico chip o circuito integrato, ha il compito di dirigere e controllare il funzionamento degli altri componenti di un sistema elettronico. La CPU interpreta ed esegue un software (sequenze di istruzioni) e, tramite bus e segnali di controllo, coordina memorie e periferiche della scheda su cui è montata. In pratica, la CPU è l’elemento che decide “cosa fare” e “quando farlo”, orchestrando letture/scritture e flussi di dati verso gli altri circuiti integrati.

Come lavora 

Una CPU esegue un ciclo continuo (semplificando):

• Fetch: preleva un’istruzione dalla memoria.

• Decode: la interpreta (tipo operazione e operandi).

• Execute: esegue l’operazione (calcolo, salto, accesso memoria, I/O).

• Write-back: scrive il risultato (registri o memoria).

Per farlo usa:

• Registri (memorie velocissime interne).

• ALU (unità aritmetico-logica) e spesso FPU (per virgola mobile) o unità vettoriali.

• Unità di controllo (logica che gestisce flussi, salti, pipeline).

• Cache (memorie veloci integrate) per ridurre l’attesa verso la RAM.

Velocità: MHz e GHz (e perché non basta “alzare la frequenza”)

Storicamente la “velocità” della CPU è stata comunicata tramite la frequenza di clock:

• MHz: tipico delle CPU dagli anni ’80 fino a parte degli anni 2000.

• GHz: tipico delle CPU più recenti, quando i processi produttivi e l’architettura hanno permesso frequenze più elevate.

Tuttavia, aumentare la frequenza comporta costi fisici: la potenza dissipata cresce e genera calore. In termini pratici, superata una certa soglia si entra in un’area di rendimento decrescente: serve più energia e sistemi di raffreddamento più aggressivi, e si rischiano limiti termici che riducono affidabilità e stabilità.

Dal “solo clock” al multi-core

Per evitare che l’aumento di frequenza trasformi la CPU in un “forno” (consumi e temperature elevate), a partire dagli anni 2010 la tendenza dominante è stata integrare più core nello stesso chip:

• Dual-core: due core.

• Quad-core: quattro core.

• Hexa-core (esacore): sei core.

• (e oltre: octa-core, deca-core, ecc., a seconda della classe).

Un core è, in sostanza, una “CPU completa” (o quasi) dentro la stessa CPU fisica. Il vantaggio è che, a parità o con aumento moderato della frequenza, si possono eseguire più thread/processi in parallelo, migliorando prestazioni complessive in scenari multitasking o applicazioni parallelizzabili.

Limite importante: il multi-core non moltiplica automaticamente le prestazioni su qualunque software. Serve che il carico sia parallelizzabile (più thread, più processi, pipeline software) e che il sottosistema memoria non diventi il collo di bottiglia.

Componenti tipici attorno a una CPU (sistema a microprocessore)

In un sistema “MICROPROCESSORE classico”, la CPU è affiancata da componenti esterni o integrati (dipende dalla generazione):

• RAM: memoria di lavoro volatile.

• Memoria non volatile (ROM/FLASH/SSD): contiene firmware e sistema operativo.

• Chipset / controller: gestiscono bus, periferiche e spesso la memoria (nelle architetture più vecchie erano separati; in molte moderne funzioni sono integrate).

• I/O controller: USB, SATA, PCIe, seriali, audio, rete, ecc.

• Eventuale GPU dedicata o integrata.

Differenza con il MICROCONTROLLER

Una versione diversa del microprocessore, orientata al controllo embedded, è il MICROCONTROLLER (MCU), che integra nello stesso chip:

• CPU

• Memoria (tipicamente FLASH/ROM + RAM)

• Canali I/O e periferiche (GPIO, TIMER, UART, SPI, I2C, ADC, ecc.)

Quindi:

• CPU/MICROPROCESSORE (MPU): spesso richiede memorie e I/O esterni per costruire un sistema completo; eccelle in sistemi complessi e general-purpose.

• MICROCONTROLLER (MCU): “computer su chip”, pensato per controllo real-time, consumi ridotti e integrazione.

Schizzo dei collegamenti più importanti

                 ┌──────────────────────────────┐
                 │              CPU             │
                 │  core + cache + control unit │
                 └───────┬───────────┬──────────┘
                         │           │
                    bus memoria   bus I/O
                         │           │
                         ▼           ▼
               ┌────────────────┐  ┌─────────────────────┐
               │      RAM       │  │  I/O controllers     │
               │ (volatile)     │  │ (USB, UART, PCIe…)   │
               └────────────────┘  └─────────────────────┘
                         │
                         ▼
               ┌────────────────┐
               │ ROM/FLASH/SSD  │
               │ (non volatile) │
               └────────────────┘

Tabella 1 – Dati essenziali di una CPU/MICROPROCESSORE

Tabella 2 – Confronto sintetico: MICROPROCESSORE (CPU/MPU) vs MICROCONTROLLER (MCU)