Tecnologie informatiche: microprocessori, memorie e funzionamento di Internet

2023/24 Tecnologie Informatiche

PRIMA TL-CAT (VERS 0.1) PARTE 4

ANTONIO PINNA1 ISTITUTO DI ISTRUZIONE SUPERIORE polo "tecnico "G.M. DEVILLA" SASSARI

Introduzione

In questa quarta parte si concluderà il discorso sui microprocessori sulle memorie. Il fine è quello di porre l'alunno in grado di scegliere il computer in autonomia e in maniera tale da adattare la sua scelta ad un contesto lavorativo: in sostanza si cercherà di rispondere alla domanda che spesa e che componenti devo comprare per il mio studio di progettazione? Oppure per casa?

Successivamente verrà affrontato il funzionamento di Internet. Scopo di questa parte è quella di far capire che i computer, di qualsiasi tipo essi siano, non si connettono magicamente fra di loro, ma, dietro le quinte esiste un sistema complesso di smistamento dei messaggi gestito da grandi compagnie. Si vuole quindi far prendere coscienza che una volta in rete i nostri dati vengono affidati a qualcuno solo questa azione implica ragioni d sicurezza o di privacy.

Processori Intel e AMD

In questo paragrafo verranno illustrate le caratteristiche dei processori per computer e per smartphone. Non verranno introdotti nuovi concetti come nelle precedenti note, ma verranno solo descritte le caratteristiche commerciali utili per aiutare l'alunno nella scelta o nella valutazione di un PC o di un dispositivo.

Parti di una CPU

Come si è già discusso nelle note precedenti la CPU (Central Processing Unit) ovvero unità centrale di elaborazione, è il "cervello" di un computer. È un dispositivo elettronico che esegue le istruzioni software e svolge i calcoli matematici e logici che fanno funzionare un computer. Si ricorda che la CPU è la responsabile di diverse attività fondamentali, tra A+ B cui:

• Eseguire le istruzioni del sistema operativo e dei programmi applicativi.
• Gestire i dati in entrata e in uscita.
• Controllare e coordinare le altre componenti del computer.

Registers B ALU input register A B ALU input bus ALU ALU output register A+ B

Architettura e Funzionamento della CPU

La CPU funziona utilizzando un ciclo di fetch-decode-execute (recupero-decodifica- esecuzione). In questo ciclo:

1. Recupero (Fetch): La CPU recupera un'istruzione dalla memoria RAM.2 STITUTO DI ISTRUZIONE SUPERIORE apolo tecnico "G.M. DEVILLA" SASSARI
2. Decodifica (Decode): La CPU decodifica l'istruzione per capire cosa deve fare.
3. Esecuzione (Execute): La CPU esegue l'istruzione, che può comportare operazioni aritmetiche, logiche o di spostamento dei dati.

La CPU dispone di diverse componenti interne che aiutano a svolgere queste attività, tra cui:

• Registri: Piccole e veloci memorie interne che memorizzano temporaneamente dati e istruzioni.
• Unità di controllo (CU): Controlla il flusso di dati e istruzioni all'interno della CPU e ne coordina le operazioni.
• Unità aritmetico-logica (ALU): Esegue operazioni aritmetiche e logiche sui dati.
• Cache: Memorie interne ad alta velocità che memorizzano copie di dati e istruzioni frequentemente utilizzati per accelerarne l'accesso.

La dimensione dei registri di una CPU è uno dei fattori che definisce la sua architettura. L'architettura di una CPU specifica il set di istruzioni che può eseguire e il modo in cui elabora i dati. Le CPU con registri più grandi possono generalmente elaborare istruzioni più complesse e manipolare più dati contemporaneamente, il che le rende più veloci.

Esistono due tipi principali di architetture CPU basate sulla dimensione dei registri:

• Architettura CISC (Complex Instruction Set Computing): Utilizza registri più piccoli e istruzioni più complesse. Le CPU CISC sono in grado di eseguire un'ampia gamma di operazioni con un minor numero di istruzioni, ma possono essere più lente rispetto alle CPU RISC.
• Architettura RISC (Reduced Instruction Set Computing): Utilizza registri più grandi e istruzioni più semplici. Le CPU RISC richiedono più istruzioni per eseguire le stesse operazioni rispetto alle CPU CISC, ma possono essere più veloci grazie alla loro semplicità e alla possibilità di eseguire le istruzioni in parallelo.

La scelta tra un'architettura CISC e RISC dipende da una serie di fattori, tra cui le prestazioni desiderate, il tipo di applicazioni eseguite e il consumo energetico.

In generale, le CPU moderne utilizzano architetture RISC con registri a 32 o 64 bit, che offrono un buon equilibrio tra prestazioni e complessità.

Cache

La cache è una memoria ad alta velocità integrata nella CPU che memorizza temporaneamente dati e istruzioni a cui si accede frequentemente. Questo permette alla CPU di accedervi più rapidamente rispetto alla memoria principale, che è molto più lenta.

La cache è organizzata in livelli, con livelli più piccoli e veloci che si trovano più vicini al nucleo della CPU e livelli più grandi e lenti che si trovano più lontani.3 ISTITUTO DI ISTRUZIONE SUPERIORE Spolo "tecnico "G.M. DEVILLA" SASSARI

Processor package CPU Memory L2 cache address value address value FFFF 11010111 L1 cache FFFF 11010011 C032 11011101 0002 10110100 11010011 0167 10010110 0001 11100001 11011101 0000 11100001 0000 01001101 (parte in blu facoltativa)

Livello 1 (L1) Cache

• La cache L1 è la più piccola e veloce, situata all'interno del nucleo della CPU.
• Memorizza piccole porzioni di dati e istruzioni a cui la CPU accede più frequentemente.
• È suddivisa in due cache separate: una per le istruzioni (L11) e una per i dati (L1D).
• Ha una capacità di pochi kilobyte (kB) e una latenza di accesso molto bassa.

Livello 2 (L2) Cache

• La cache L2 è più grande e più lenta della cache L1, ma è comunque molto più veloce della memoria principale.
• Si trova all'interno del package della CPU, ma non all'interno del nucleo stesso.
• Memorizza dati e istruzioni a cui la CPU accede meno frequentemente rispetto a quelli memorizzati nella cache L1.
• Ha una capacità di diverse decine o centinaia di kB e una latenza di accesso maggiore rispetto alla cache L1.

Livello 3 (L3) Cache

• La cache L3 è la più grande e lenta, ma è comunque molto più veloce della memoria principale.
• Si trova all'interno del package della CPU o su un chip separato.
• Memorizza dati e istruzioni a cui la CPU accede raramente, ma che potrebbero comunque essere necessari durante l'esecuzione di un programma.
• Ha una capacità di diversi megabyte (MB) e una latenza di accesso maggiore rispetto alle cache L1 e L2.

Core della CPU

Il core di una CPU (Central Processing Unit) è una singola unità di elaborazione indipendente all'interno di un microprocessore. Ogni core può eseguire le proprie istruzioni e manipolare i propri dati contemporaneamente, consentendo alla CPU di gestire più attività in parallelo.4 ISTITUTO DI ISTRUZIONE SUPERIOR polo 'tecnico skatde "G.M. DEVILLA" SASSARI

L'esigenza di mettere più core all'interno di un unico processore nasce dal fatto che, al fine di aumentare le prestazioni, intorno all'inizio degli anni 2000 si è giunti a frequenze di clock oltre i 5 GHZ (gigahertz). Oltre queste frequenze i processori, per effetti quantistici, non sono più stabili, il che significa che non si è ragionevolmente in grado di distinguere fra lo 0 e 1.

La soluzione a questo problema è stata quella di mettere più CPU (Core) all'interno delio stesso chip. La cache in questo senso funge da memoria comune e di raccordo.

I processori moderni generalmente hanno più core, con un numero che varia da due a decine a seconda del modello e delle esigenze di utilizzo.

Memory Controller S C Core Core Core Core Shared L3 Cache i 1

Perché l'esigenza di avere più core per aumentare la potenza di calcolo? Se paragoniamo il core ad un uomo sempre più allenato e forte egli, con molto allenamento (aumento frequenza CPU) solleverà fino a 300 kg; ma supponiamo egli debba sollevare una tonnellata: non si può continuare ad allenarlo, è necessario l'intervento di altre persone (si (inseriscono altri core) al fine di raggiungere l'obbiettivo dato.

Processori in Commercio

Famiglia Intel

È una famiglia di processori diffusa in ambito PC e Laptop. Intel Core è un marchio di processori per computer desktop, laptop e alcuni dispositivi embedded prodotti da Intel. Si5 ISTITUTO DI ISTRUZIONE SUPERIORE polo "tecnico "G.M. DEVILLA" SASSARI tratta di processori multi-core basati su architetture x86-64, progettati per offrire un buon equilibrio tra prestazioni, efficienza energetica e costo. Esistono diverse famiglie di processori Intel Core, ciascuna con caratteristiche e target di mercato specifici. Le principali sono:

• Intel Core i3: Processori entry-leve ideali per attività di base come navigazione web, videoscrittura e gestione della posta elettronica.
• Intel Core i5: Processori di fascia media adatti a un'ampia gamma di attività, tra cui multitasking, gaming moderato e creazioni multimediali.
• Intel Core i7: Processori ad alte prestazioni pensati per utenti esigenti come gamer, video editor e professionisti che necessitano di molta potenza di elaborazione.
• Intel Core i9: Processori top di gamma dedicati a carichi di lavoro pesanti come editing video 8K, rendering 3D e gaming ad alte prestazioni

Come identificare un processore Intel core? Nella figura che segue è rappresentato la sigla identificativa presente nella confezione o consultabile dalle impostazioni di Windows.

Intel® Core™ i7 - 13700 K processor Brand Brand Modifier Generation SKU Indicator Numeric Digits Product Line Suffix

• Brand: Il marchio del processore, ovvero intel core oppure Xeon
• Brand Modifier: La categoria i3,i5,17,i9
• Generation Indicator: adesso siamo alla 14: questo vuol dire che se il numero è più basso es 12700 il processore è del 2022.
• SKU maggiore è il numero maggiori saranno le prestazioni
• Product Line Suffix: indica le funzionalità aggiuntive come il basso consumi o oppure la scheda grafica integrata.

Nota: al fine di scegliere un processore il Generation Indicator è molto importante ad esempio in i5 dell'anno 2023 è meno prestante di un i3 dell'anno successivo (2024).6 ISTITUTO DI ISTRUZIONE SUPERIORE Spolo "tecnico "G.M. DEVILLA" SASSARI

Alpha Suffix Description H High performance graphics HK High performance graphics, unlocked HQ High performance graphics, quad core U Ultra-low power Y Extremely low power

Famiglia AMD

È una famiglia di processori diffusa in ambito PC e Laptop. Ryzen è un marchio di processori multi-core x86-64 sviluppati e commercializzati da Advanced Micro Devices (AMD) per computer desktop, portatili, server e dispositivi embedded. Si basano sulla microarchitettura Zen e sulle sue successive evoluzioni.

Ryzen 5 7640U Portfolio Year Architecture Feature Isolation (if needed) 0 = Lower model within segment 5 = Upper model within segment Form Factor/TDP 7 = 2023 1 = Zen 1 / Zen+ HX = 55W+ Max Performance Gaming 8 = 2024 2 = Zen 2 HS = ~ 35W Thin Gaming/Creator 9 = 2025 3 = Zen 3 / Zen 3+ U = 15-28W Premium Ultrathin 4 = Zen 4 C = 15-28W Chromebook 5 = Zen 5 etc. e = 9W fanless variant of -U part Segment x1xx = Athlon Silver x2xx = Athlon Gold x3xx = Ryzen 3 x4xx = Ryzen 3 x5xx = Ryzen 5 x6xx = Ryzen 5 x7xx = Ryzen 7 x8xx = Ryzen 7/9 x9xx = Ryzen 9

I processori proposti in ambito PC sono i Ryzen. In particolare nella scelta è necessario prestare attenzione alle seguenti caratteristiche: