Che cosa fa una CPU

Un processore a 3 GHz batte 3 miliardi di colpi al secondo, uno ogni terzo di nanosecondo.

Immagina una lezione di informatica. (È una scena inventata.) Alla lavagna sono disegnate sedici caselle numerate, ognuna con otto bit scritti dentro. Tre studenti fanno la CPU. Uno tiene un cartoncino con scritto PC, uno un cartoncino con scritto IR, uno un cartoncino con scritto ACC. Il cartoncino PC dice 0. Lo studente IR va alla casella 0 e copia quello che c'è, 0001 1110, e lo studente PC cambia il cartoncino in 1. La classe cerca i primi quattro bit in una tabella appesa al muro: 0001 significa LOAD. Gli ultimi quattro, 1110, sono 14. Allora la studentessa ACC va alla casella 14 e copia il 7 che trova lì. Poi tutto ricomincia dalla casella 1.

La casella 1 dice ADD 15, quindi ACC diventa 7 + 5 = 12. La casella 2 dice STORE 13, e la studentessa ACC scrive 12 nella casella 13. La casella 3 dice HALT, e tutti si siedono. Dodici mosse in tutto. Nessuno dei tre aveva bisogno di sapere che il programma «somma 7 e 5». Ognuno ha seguito una piccola regola. Le caselle sono la memoria, i cartoncini sono i registri e la tabella sul muro è il decodificatore. Una CPU vera funziona allo stesso modo, miliardi di volte al secondo, e anche lì dentro nessuno capisce il programma.

Lo stesso breve ciclo, miliardi di volte al secondo

Le porte sanno sommare, confrontare e scegliere, ma qualcosa deve dire loro che cosa fare, in che ordine e con quali numeri. È il compito dell'unità centrale di elaborazione, la CPU. Ripete un unico breve ciclo. Il contatore di programma (PC) contiene l'indirizzo della prossima istruzione. Prelievo: la CPU legge la cella indicata dal PC nel registro istruzione (IR) e fa avanzare il PC di uno. Decodifica: i circuiti di controllo esaminano i bit del codice operativo e predispongono i percorsi giusti, per esempio collegando il sommatore per ADD. Esecuzione: il lavoro viene svolto. Un numero viene caricato, sommato o memorizzato, oppure il PC viene cambiato e il programma salta altrove. Poi il ciclo ricomincia. Un'istruzione, JZ, salta solo quando l'accumulatore è zero, ed è proprio questo tipo di salto a permettere a un programma di decidere e di ripetere.

La scena esegue lo stesso programma messo in scena dalla classe. Premi Passo e PC, IR e ACC cambiano esattamente come i cartoncini: LOAD 14, poi ADD 15, STORE 13 e HALT, quattro istruzioni di tre fasi ciascuna, dodici fasi in tutto. Il programma della moltiplicazione usa le stesse poche istruzioni, ma i suoi JZ e JUMP rimandano il PC a 0 due volte prima che il contatore nella cella 15 arrivi a zero, quindi esegue 24 istruzioni in 72 fasi. Sei volte le istruzioni dell'addizione.

Il programma sta nella stessa memoria dei numeri

Alla lavagna, le istruzioni e i numeri 7 e 5 stavano nella stessa fila di caselle. Non è un caso. Nel giugno 1945 John von Neumann scrisse il «First Draft of a Report on the EDVAC», in cui descriveva un computer che tiene le istruzioni nella stessa memoria dei dati, e quasi tutti i computer da allora funzionano così. Un'istruzione è solo un numero i cui bit sono divisi in campi. In questo computer giocattolo ogni cella contiene 8 bit. I primi quattro dicono che cosa fare, il codice operativo, e gli ultimi quattro dicono quale cella usare, l'indirizzo. 0001 è LOAD, quindi 0001 1110 significa «LOAD 14»: copia il numero della cella 14 nell'accumulatore, il registro di lavoro della CPU.

Quanto va veloce il ciclo

I passi vanno a tempo con un segnale di clock, una tensione che si accende e si spegne a ritmo costante. Un clock a 3 GHz batte 3 000 000 000 colpi al secondo, quindi un colpo dura 1 ÷ 3 000 000 000 secondi, circa 0.333 nanosecondi. In quel tempo la luce percorre solo circa 10 centimetri. A una fase per colpo, sono abbastanza colpi per eseguire il programma 7 + 5 del giocattolo 250 milioni di volte al secondo. I processori reali non completano un'istruzione intera per colpo nel modo semplice del nostro giocattolo. Sovrappongono le fasi di più istruzioni come in una catena di montaggio, cosa che si chiama pipelining, e i chip di oggi contengono diversi processori completi affiancati, chiamati core. Il giocattolo non ha niente di tutto questo, ed è proprio per questo che puoi seguirlo a mano.