I Microprocessori, un po’ di Nozioni e Storia

La funzione principale di un calcolatore è quella di eseguire i programmi che risiedono in memoria e che tipicamente vengono preventivamente letti dall’hard disk. In generale, è possibile immaginare un programma come una sequenza di istruzioni. Un’istruzione è un stringa di bit che specifica al processore “cosa fare” e “dove farlo”. I processori sono in grado di eseguire direttamente solo le istruzioni del cosiddetto linguaggio macchina. Tuttavia, lo sviluppo dei programmi in linguaggio macchina sarebbe eccessivamente complicato e, di fatto, questo approccio è impiegato solo in alcuni casi particolari nei quali si ha la necessità di creare codice ottimizzato per applicazioni critiche (driver, applicazioni industriali, ecc.). I programmatori generalmente scrivono i programmi utilizzando linguaggi di alto livello come C, C++, Java, ecc. e si avvalgono dei cosiddetti compilatori per la traduzione in linguaggio macchina.

L’insieme delle istruzioni eseguibili da un particolare processore è detto Instruction Set. Questo rappresenta quindi la porzione della macchina visibile al programmatore e ai compilatori. Generalmente, per indicare che due processori hanno differenti Instruction Set, si dice che questi differiscono per l’Instruction Set Architecture (ISA). Bisogna dire che due CPU che differiscono per l’ISA, sicuramente differiscono anche per l’architettura interna. I processori commerciali possono essere classificati in base all’ISA in due grandi categorie, Reduced Instruction Set Computer (RISC) e Complex Instruction Set Computer (CISC). Le architetture RISC consentono generalmente di eseguire un numero relativamente piccolo di istruzioni semplici in maniera veloce. Viceversa, le architetture CISC implementano in hardware un numero maggiore di istruzioni più complesse: si pensi che un’istruzione di CISC equivale a circa quattro o cinque istruzioni RISC. La suddetta differenza implica che il linguaggio macchina dei processori RISC sia più a basso livello del linguaggio macchina dei processori CISC. Questo significa che nel secondo caso il compilatore, nel tradurre le istruzioni di alto livello, deve farsi carico di un lavoro maggiore. Solo dopo l'introduzione dell'architettura RISC, avvenuta intorno al 1985, è stato definitivamente riconosciuto che questa consente di ottenere prestazioni.

Spesso, nel progettare nuovi processori, si è dovuto tenere conto di esigenze commerciali che non hanno consentito l’introduzione di innovazioni particolari a livello di ISA. Infatti, i progettisti hanno dovuto tenere conto dell’esigenza di mantenere la compatibilità con il passato, ovvero di garantire che anche dopo l’introduzione di un nuovo processore fosse possibile utilizzare i vecchi programmi. Per questo motivo, l’ISA x86 di tipo CISC, utilizzato dalle prime CPU dell’Intel, è quello tuttora implementato nei processori di ultima generazione. Tuttavia, bisogna dire che dal Pentium PRO in poi, i processori prodotti dall’Intel, sebbene abbiano un’interfaccia ISA di tipo x86, di fatto internamente sono basati su architetture di tipo RISC ed includono particolari circuiti che consentono la traduzione in hardware da x86 a RISC.