Central Processing Unit (CPU)

Central Processing Unit (CPU)

La CPU (Central Processing Unit - unità centrale di elaborazione) rappresenta il “cervello” di un calcolatore ed esegue le istruzioni che compongono un programma. Tali istruzioni sono molto semplice: somma due numeri, memorizza un numero in memoria, leggi un carattere dalla tastiera, …

L’insieme delle istruzioni che una CPU è in grado di eseguire si chiama Instruction Set Architecture ISA e dipende dal modo in cui la CPU è organizzata internamente. Ad esempio, se una CPU non ha un circuito per dividere due numeri, la CPU non sarà in grado di fare le divisioni in un’unica operazione. Sarà quindi necessario scrivere una sequenza di istruzioni (un algoritmo) per la divisione utilizzando solo operazioni di cui la CPU dispone.

Anche se CPU diverse (es. Intel vs AMD) hanno modi diversi di eseguire le istruzioni, tutte le CPU contengono tre componenti fondamentali:

1. Una spazio di memorizzazione rappresentato da una serie di registri (register file);
2. Una serie di componenti che fungono da controllo (control) della CPU;
3. Un componente per operazioni aritmetiche e logiche (Arithmetic Logic Unit, ALU).

Il controllo della CPU comanda tutti i circuiti interni affinché venga eseguita l’istruzione corrente, fanno parte del controllo:

• Un registro chiamato Program Counter (PC) che contiene l’indirizzo di memoria delle prossima istruzione che la CPU deve eseguire'
• Un registro chiamato Instruction Register (IR) che contiene l’istruzione da eseguire;
• Un circuito di decodifica (decode) che configura i circuiti per l’esecuzione dell’istruzione presente nell’IR;
• Altri registri e circuiti per accedere alla memoria e all’I/O.

Nella figura sotto, si vede uno schema semplificato di CPU contenente contenente le varie parti descritte sopra.

Ciclo di funzionamento della CPU

Durante tutto il suo funzionamento, la CPU esegue continuamente il ciclo di fetch-and-execute (recupera ed esegui). Questo ciclo prevede le seguenti operazioni

1. Recupera (fetch) il codice della prossima istruzione da eseguire
2. Decodifica (decode) il codice recuperato per determinare quale operazione eseguire
3. Recupera gli operandi (operand fetch) se questi sono indispensabili per eseguire l’istruzione
4. Esegue (execute) l’istruzione decodificata nel passaggio 2
5. Scrive (write) il risultato dell’operazione se richiesto dall’istruzione

Vediamo ora in dettaglio come queste operazioni vengono eseguite da una CPU utilizzando le componenti descritte nella figura sopra. Negli esempi utilizzati per descrivere queste operazione si userà l’istruzione assembly add R1, [0x3D] che significa somma il valore nel registro R1 con il valore nella cella di memoria di indirizzo 0x3D e metti il risultato di questa somma nel registro R1.

Fetch dell’istruzione

Le istruzioni che la CPU esegue si trovano tutte nella memoria centrale (la RAM), la CPU deve recuperarle prima di poterle eseguire. Per fare questo, la CPU utilizza due registri importanti: il Program Counter, PC (contatore di programma) e l’Instruction Register (registro delle istruzioni). Inoltre, dovendo accedere alla memoria, la CPU utilizza anche i registri MAR ed MDR il cui funzionamento è spiegato in questa pagina. Il fetch delle istruzioni si compone delle seguenti fasi.

1. Il valore che è nel PC viene copiato nel MAR e si attiva la linea Read del bus di controllo.
2. Il valore che la RAM legge finisce nel bus dati prima e nell’MDR poi.
3. Il valore dell’MDR viene copiato nell’IR.
4. Il valore del PC viene incrementato di uno in modo che sia pronto per la prossima istruzione.

Decodifica dell’istruzione

Dal momento che una CPU può eseguire diversi tipi di istruzione (somma, sottrazione, …), è necessaria che la CPU sia in grado di “decidere” quale operazione eseguire in base all’informazione che è stata recuperata dalla RAM durante la precedente fase di fetch. La decodifica delle istruzioni si compone delle seguenti fasi.

1. Il valore dell’IR viene elaborato dal circuito di decodifica.
2. Il circuito di decodifica decide, guardando l’istruzione, quale operazione eseguire.
3. Se necessario, attiva i circuiti per il recupero degli operandi dalla memoria.
4. Se necessario, attiva i registri coinvolti nell’istruzione.
5. Se necessario, attiva i circuiti della ALU per eseguire l’operazione richiesta dall’istruzione.

Fetch degli operandi

Molte istruzioni hanno bisogno di operandi di input, ad esempio per sommare due numeri abbiamo bisogno proprio di questi numeri da sommare (gli addendi). Questi operandi possono trovarsi sui registri, ma è anche possibile che si debba andarli a prendere nella memoria centrale. Questa operazione (che non è sempre necessaria) prende il nome di fetch degli operandi ed avviene utilizzando i meccanismi di accesso alla RAM ed i registri MAR e MDR. È importante notare che questa operazione potrebbe non essere necessaria, ad esempio quando gli operandi si trovano già nei registri non serve andarli a prendere dalla RAM. Il fetch degli operandi si compone delle seguenti fasi.

1. L’indirizzo da dove prendere il primo operando viene messo nel MAR.
2. La linea Read del bus controllo viene attivata.
3. Si attende che l’operando arrivi dalla RAM al’MDR.
4. Il valore del MDR viene copiato nel registro di destinazione. Se un secondo operando va recuperato dalla memoria, si eseguono di nuovo le operazioni da 1.

Esecuzione dell’istruzione

Una volta che la CPU ha decodificato l’istruzione presa dalla memoria, il suo compito è quello di eseguirla. Ad esempio, se si tratta di un’istruzione di somma, la CPU utilizzerà il suo circuito di somma. I circuiti per eseguire le operazioni aritmetiche (somma, sottrazione, …) e logiche (and, or, …) si trovano nel blocco ALU (Arithmetic Logic Unit) della CPU. È importante notare che questa operazione potrebbe non essere richiesta, ad esempio le istruzioni che copiano dalla memoria ai registri o viceversa, non hanno bisogno di utilizzare la ALU.

L’esecuzione dell’istruzione si compone dei seguenti passi.

1. Per operazioni che utilizzando l’ALU si attende che il risultato sia pronto.
2. Una volta che il risultato viene calcolato, esso viene scritto nel registro scelto dall’istruzione (alcuni processori usano sempre lo stesso registro per il risultato, questo viene chiamato registro accumulatore).
3. Per operazione lettura e scrittura l’esecuzione non fa nessuna operazione (la lettura avviene con il fetch degli operandi, la scrittura avviene nell’ultima fase)
4. Per operazioni di salto l’esecuzione cambia il valore del program counter.

Scrittura del risultato

Alcune operazioni, specialmente quelle eseguite dalla ALU, producono un risultato. Ad esempio la somma di due numeri è il risultato dell’operazione di somma. L’ALU termina sempre le proprie operazioni mettono in un registro della CPU il risultato che ha calcolato, ma in certi casi l’istruzione prevede che questo risultato sia memorizzato in una quelle cella della memoria RAM. In questa fase, la CPU utilizza i registri MAR e MDR per spostare il risultato dal registro dove lo ha messo la ALU alla cella di memoria desiderata. È importante notare che questa operazione può non essere richiesta se, ad esempio, non si vuole che il risultato venga messo nella RAM.

La scrittura del risultato si compone delle seguente fasi.

1. Se il risultato deve essere scritto in memoria, l’indirizzo della RAM viene scritto nel MAR.
2. Il risultato (che è stato messo in un registro alla fine dell’execute) viene messo nell’MDR.
3. Si attiva la linea Write del bus controllo.