Processore

Un processore, è un dispositivo hardware in grado di elaborare dati sulla base di istruzioni di programma, La complessità può variare moltissimo, andando da semplici elaboratori di segnale fino all'unità centrale (CPU) di un computer. In alcuni casi, specialmente nei sistemi di elaborazione di processo, il termine può riferirsi all'intero computer. Spesso è utilizzato come sinonimo di microprocessore.^[1]

Descrizione

Provvede all'esecuzione materiale dell'elaborazione dati di un programma tipicamente sotto la supervisione del sistema operativo attraverso il ciclo di fetch-execute. Le altre componenti del computer sono ausiliarie all'unità di elaborazione oppure costituiscono l'interfaccia di input o l'interfaccia di output (periferiche). L'unità di elaborazione, l'interfaccia di input e l'interfaccia di output sono infatti le tre componenti logiche sempre presenti nel computer. Il processore è un elemento base dell'architettura degli elaboratori.

Un computer può essere dotato anche di più processori che collaborano tra loro. In tal caso si parla di "computer multiprocessore" e l'elaborazione dati viene anche chiamata, con termine più specifico, multielaborazione o multiprocessing.^[2] Il processore, in quanto sistema elettronico digitale, tipicamente lavora a una certa frequenza di clock che rappresenta uno dei suoi parametri prestazionali in termini di capacità di processamento.

Tipologia del processore

Processori distinti per funzionalità

In base alle funzioni che svolgono, si possono distinguere i seguenti tre principali tipi di processori:

Unità di elaborazione centrale

L'unità di elaborazione centrale (in acronimo CPU, dall'inglese Central Processing Unit), nelle architetture degli elaboratori è il sottosistema che implementa la maggioranza delle funzionalità fondamentali dell'elaboratore e che in generale coordina l'esecuzione delle operazioni tra gli eventuali sottosistemi periferici.

L'unità centrale apparve all'inizio degli anni 1960, vengono riuniti, all'interno dello stesso cabinet (meglio conosciuto come case), due processori che precedentemente erano sempre stati contenuti in cabinet diversi: l'ALU e l'unità di controllo. In particolare la prima unità di elaborazione centrale commercializzata della storia è l'IBM 709 Central Processing Unit, un'unità di elaborazione centrale disponibile con l'IBM 709 Data Processing System (un computer dell'IBM commercializzato a partire dal 1958) e occupante un cabinet grande quanto un armadio. Attualmente invece la tipica implementazione dell'unità di elaborazione centrale è il microprocessore. L'unità di elaborazione centrale è quindi contenuta nello spazio di pochi centimetri quadrati.

Un computer multiprocessore può avere anche più unità di elaborazione centrale che collaborano tra loro.

Coprocessore

Un coprocessore è un dispositivo progettato per funzionare in collaborazione con altri processori. Spesso implementa un insieme di funzionalità ridotte e orientate a specifici casi d'uso. A livello di sistema lo scopo principale dei coprocessori è quello di alleggerire il carico di lavoro del processore principale, a volte svolgendolo in maniera più efficiente.

Tra i tipi più comuni di coprocessori rientrano:

Coprocessore matematico

Il coprocessore matematico è un coprocessore ottimizzato e specializzato in particolari calcoli matematici. I primi coprocessori matematici della storia erano componenti separate dall'unità di elaborazione centrale. Oggi, normalmente, il coprocessore matematico e l'unità di elaborazione centrale sono integrati nel medesimo microprocessore. Attualmente i tipo di coprocessore matematico più diffusa è l'unità di calcolo in virgola mobile (più conosciuta con la sigla mutuata dalla lingua inglese "FPU"), coprocessore matematico specializzato nei calcoli in virgola mobile. Tutte le moderne unità di elaborazione centrale sono affiancate da un'unità di calcolo in virgola mobile, ed entrambe sono implementate nel medesimo circuito integrato.

Unità di elaborazione grafica

L'unità di elaborazione grafica (più conosciuta con la sigla mutuata dalla lingua inglese "GPU") è un coprocessore ottimizzato e specializzato nel rendering di immagini grafiche. Da alcuni anni è in atto la tendenza a implementare l'unità di elaborazione grafica e l'unità di elaborazione centrale nel medesimo circuito integrato.

Controller di periferica

Il controller di periferica o processore di input/output è un coprocessore adibito alla gestione di una o più periferiche. Il controller di periferica è presente sin dalla prima generazione di computer elettronici in quanto normalmente la periferica è molto più lenta dell'unità di elaborazione centrale. La presenza del controller di periferica evita quindi che l'unità di elaborazione centrale subisca pesanti rallentamenti: sollevata dalla gestione delle periferiche, l'unità di elaborazione centrale è libera di utilizzare tutta la sua capacità di calcolo in compiti in cui è richiesta tale capacità.

Processore di segnale digitale

Il processore di segnale digitale (più conosciuto con la sigla mutuata dalla lingua inglese "DSP") è un processore specializzato nell'elaborazione numerica dei segnali. Il processore di segnale digitale può essere utilizzato come processore principale in particolari computer special purpose dedicati esclusivamente all'elaborazione numerica dei segnali (come ad esempio i computer integrati nei riproduttori di CD audio), oppure può essere utilizzato come coprocessore in computer sia general purpose (come ad esempio il personal computer) che special purpose (come ad esempio le moderne console per videogiochi). Nel secondo caso, tipico è l'utilizzo come coprocessore della CPU.

Processori distinti per formato dei dati

In base al formato dei dati su cui operano, si possono distinguere i seguenti tre tipi di processori:

Processore scalare

Il processore scalare è un processore dotato di istruzioni che prevedono come operandi solo dati scalari (numeri interi, numeri reali, variabili booleane, ecc.). Nel processore scalare dunque ogni istruzione opera su un solo dato alla volta.

Processore vettoriale

Il processore vettoriale è un processore dotato di istruzioni che prevedono come operandi dati vettoriali (cioè dati complessi costituiti da più dati elementari dello stesso tipo). Il processore vettoriale risulta dunque molto più veloce di un processore scalare quando si tratta di applicare la stessa elaborazione a più dati dello stesso tipo in quanto tale elaborazione viene effettuata in parallelo eseguendo una sola istruzione. Un processore scalare deve invece eseguire necessariamente più istruzioni per effettuare lo stesso tipo di elaborazione.

Processore superscalare

Il processore superscalare è una via intermedia tra il processore scalare e il processore vettoriale in quanto prevede più unità di esecuzione scalari indipendenti in modo da eseguire in parallelo o la stessa istruzione su dati differenti o istruzioni indipendenti su dati diversi. L'architettura di questo tipo di processore è spesso piuttosto complessa in quanto prevede varie pipeline di esecuzione e per ottimizzare le prestazioni è necessario risolvere i conflitti derivanti dalla loro indipendenza (non si possono ad esempio eseguire in parallelo due istruzioni se il risultato della seconda è condizionato dal risultato della prima).

Microprocessore

Un tipo di processore oggi estremamente diffuso è il microprocessore. Un microprocessore è un processore interamente contenuto in un circuito integrato.^[3] Il primo microprocessore commercializzato della storia è stato l'unità di elaborazione centrale Intel 4004, commercializzata a partire dal 1971.

Processore multicore

Al fine di aumentare le prestazioni, nel 2005 è nata la tendenza a realizzare circuiti integrati contenenti più^[4] unità di elaborazione centrale tutte identiche. Un circuito integrato contenente più unità di elaborazione centrale tutte identiche è detto "processore multicore". In seguito è nata anche la tendenza a realizzare circuiti integrati contenenti più unità di elaborazione grafica tutte identiche. Anche questi circuiti integrati sono processori multicore ma, più specificatamente e frequentemente, sono chiamati "GPU multicore".

Attualmente il processore multicore rappresenta l'implementazione più diffusa dell'unità di elaborazione centrale.

Note

^ Processóre, in Treccani.it – Enciclopedie on line, Roma, Istituto dell'Enciclopedia Italiana.
^ multiprocessing, su treccani.it.
^ Un circuito integrato può contenere anche più processori.
^ Di norma le potenze del 2: 2, 4, 8, eccetera.