Quando nel 1971 andò in produzione il primo microprocessore Intel 4004, al cui progetto lavorò anche l’italiano Federico Faggin, nessuno immaginava che nel giro di pochi anni questa tecnologia sarebbe diventata il cuore dei Personal Computer: nel 1974 venne messo in commercio l’ALTAIR8800 della MITS basato sull’Intel 8080.

Prima dell’ALTAIR i progettisti consideravano i microprocessori come dei validi rimpiazzi per la logica cablata nei sistemi di controllo. Per esempio per controllare una lavatrice, è necessario realizzare una rete logica che ad ogni variazione dello stato degli ingressi (pulsanti, interruttori, sensori di livello, sensori di temperatura ecc) produce una conseguente variazione dello stato delle uscite (che comandano il motore, le resistenze di riscaldamento dell’acqua, le elettrovalvole ecc.). Questa rete logica non può essere una semplice rete combinatoria, poichè il sistema controllato prevede dei cicli di lavoro soggetti a temporizzazioni, pertanto la rete logica viene implementato come automa a stati finiti. Questo approccio è ampiamente collaudato e quindi, al di là di gestire la complessità legata per esempio all’esigenza di gestire sulla lavatrice differenti programmi di lavaggio dove sta il vantaggio di utilizzare un sistema a microprocessore? Il vantaggio risiede nel fatto che una volta definita l’architettura hardware della scheda di controllo a microprocessore tutta la logica di funzionamento della lavatrice dipende esclusivamente dal software,  diversamente dal sistema a logica cablata nel quale ogni variazione della logica di funzionamento del sistema controllato richiede la riprogettazione della rete logica.

L’Intel 4004 non fu creato per gestire una lavatrice, ma per realizzare una calcolatrice da tavolo. Grazie alla flessibilità del microprocessore questo disposivito potè essere utilizzato per calcolatrici, lavatrici, linee di produzione industriale e infine approdò al mondo dei Personal Computer.

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Quanto è veloce un microprocessore?

Per rispondere a questa domanda dobbiamo prima renderci conto della relazione che intercorre tra il clock di un sistema a microprocessore e l’effettiva velocità di esecuzione di un programma. Andiamo per gradi.

Quando un microprocessore esegue del codice, lo fa ripetendo continuamente lo stesso ciclo:

1. leggi l’istruzione corrente
2. esegui l’istruzione corrente
3. punta all’istruzione successiva

al termine riparte dal punto 1.

Queste tre semplici frasi riassumono operazioni che hanno una loro complessità, cosa intendiamo con i verbi leggere ed eseguire? cosa significa istruzione corrente ed istruzione successiva?

Ogni sistema a microprocessore è dotato di una memoria in cui è contenuto il codice del programma, possiamo pensare alla memoria come ad una lista di elementi identificati da un numero progressivo (un array). Ogni sistema a microprocessore è anche dotato di un registro (chiamato program counter) che indirizza la memoria di programma, cioè punta ad un elemento della lista.

L’operazione 1 indica il trasferimento dell’elemento puntato dal program counter in uno speciale registro che chiameremo registro istruzioni.

Con l’operazione 2 il contenuto del registro istruzioni viene decodificato e viene eseguita una operazione che dipende dal contenuto del registro stesso. In base al tipo di microprocessore avremo da poche decine a svariate centinaia di possibili istruzioni.

L’operazione 3 incrementa il registro istruzioni affinchè questo punti alla successiva istruzione.

Eseguendo all’infinito questo ciclo vengono svolte sequenzialmente tutte le istruzioni contenute nella memoria di programma.

Sappiamo che un generico algoritmo non contiene solo sequenze lineari di operazioni ma possiamo avere diramazioni oppure cicli.  Per alterare la sequenza lineare di esecuzione del codice di programma è sufficiente disporre di istruzioni che alterino il program counter, quando il ciclo visto prima riparte dal punto 1 non leggerà l’istruzione successiva ma piuttosto quella puntata dal valore assunto in quell’istante dal program counter.

In queste poche righe abbiamo descritto l’essenza del funzionamento di qualsiasi sistema a microprocessore.  Abbiamo anche capito che il funzionamento di ogni programma è conseguenza dell’esecuzione delle singole istruzioni contenute nella memoria di programma.

In base al tipo di microprocessore ogni istruzione elementare richiede un numero variabile di cicli di clock per la sua esecuzione.

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