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# Architetture dei processori/Evoluzioni future

Storia · Set di istruzioni · Processore monolitico · Unità di decodifica · Unità predizione dei salti · Arithmetic Logic Unit · Floating Point Unit · Cache · Pipeline · Single Instruction Multiple Data · Memory Management Unit · Processore superscalare · Processore vettoriale · Very Long Instruction Word · Pentium 4 · Itanium 2 · Evoluzioni future ·
Attualmente il più promettente campo per incrementare le prestazioni dei processori è l'elaborazione parallela.
Le strade legate alle altre tecnologie come cache e pipeline sono state intensamente studiate e significativi aumenti di prestazioni seguendo queste strade sembrano improbabili. Incrementi di frequenza dei processori diventano sempre più difficili per limiti tecnologici e fisici, le attuali tecniche litografiche infatti riescono a ridurre le dimensioni dei transistor ma non ad innalzarne le frequenze in modo rilevante sia per problemi di produzione sia per problemi di consumo e di dissipazione, processori che consumano 100 Watt sono difficili da dissipare e da integrare in macchine a basso consumo. Quindi l'unica strada percorribile rimane appunto l'elaborazione parallela cioè l'integrazione in un unico integrato di più processori in grado di eseguire uno o più processi contemporaneamente.
Allo stato attuale (maggio 2006) esistono in commercio per applicazioni domestiche processori con due nuclei di calcolo indipendenti e ogni unità di calcolo è in grado di eseguire due processi indipendenti e quindi il processore è in sostanza in grado di eseguire quattro programmi contemporaneamente.
Per applicazioni professionali società come la Sun Microsystems hanno presentato processori in grado di eseguire decine di processi in contemporanea come l'UltraSPARC T1 un processore con 8 unità di calcolo e con ogni unità in grado di eseguire 4 processi per un totale di 32 processi in contemporanea. Lo stato dell'arte di questo settore è detenuto dall'IBM che con l'architettura Blue Gene domina il settore dei supercomputer. Il Blue Gene/L è dotato di 131.072 processori con ogni processore dotato di due unità di calcolo per un totale 262.144 unità di calcolo indipendenti. Le attuali ricerche riguardanti le architetture dei processori infatti riguardano l'integrazione delle varie unità in modo efficiente, veloce e con ridotti consumi energetici dato che l'integrazione di molte unità di calcolo in uno spazio ridotto pone seri problemi di dissipazione e di consumi energetici dato che i supercomputer possono consumare anche diversi megawatt di potenza.
# Architetture dei processori

Questo libro tratterà le architetture interne dei microprocessori elencandone le principali unità funzionali con annessi vantaggi e svantaggi. Il libro non affronterà tutte le tipologie possibili essendo molte architetture sviluppate nel corso degli anni, la maggior parte delle quali senza successo commerciale o riservate ad applicazioni specializzate. Il libro affronterà le architetture dal punto di vista teorico non concentrandosi sui singoli aspetti implementativi che rendono l'architettura x86 diversa da quella PowerPC per esempio. Il libro include anche l'analisi dell'architettura di alcuni processori per permettere di comprendere come i concetti teorici si traducono in pratica.

## Sommario

    Copertina
* Definizione
* Storia
* Set di istruzioni
* Processore monolitico
** Unità di decodifica
*** Unità predizione dei salti
** Arithmetic Logic Unit
** Floating Point Unit
** Cache
** Pipeline
** Single Instruction Multiple Data
** Memory Management Unit
* Processore superscalare
* Processore vettoriale
* Very Long Instruction Word
* Pentium 4
* Itanium 2
* Evoluzioni future
* Bibliografia

## Altri progetti

Altri progetti
* Wikipedia
* Wikipedia contiene una voce riguardante il microprocessore
# Architetture dei processori/Bibliografia

Storia · Set di istruzioni · Processore monolitico · Unità di decodifica · Unità predizione dei salti · Arithmetic Logic Unit · Floating Point Unit · Cache · Pipeline · Single Instruction Multiple Data · Memory Management Unit · Processore superscalare · Processore vettoriale · Very Long Instruction Word · Pentium 4 · Itanium 2 · Evoluzioni future ·
Il libro si è basato sulle seguenti voci dell'enciclopedia online Wikipedia con varie aggiunte e integrazioni.
* Supercomputer
* Pipeline dati
* Processore vettoriale
* Non-Uniform Memory Access
* Cache
* Calcolo parallelo
* RAID
* Legge di Amdahl
* MPI
* PVM
* openMosix
* Linguaggio di programmazione Occam.
# Architetture dei processori/Definizione

Storia · Set di istruzioni · Processore monolitico · Unità di decodifica · Unità predizione dei salti · Arithmetic Logic Unit · Floating Point Unit · Cache · Pipeline · Single Instruction Multiple Data · Memory Management Unit · Processore superscalare · Processore vettoriale · Very Long Instruction Word · Pentium 4 · Itanium 2 · Evoluzioni future ·
Un processore è un singolo circuito integrato in grado di effettuare operazioni di calcolo o di elaborazione dell'informazione; il microprocessore principale di un computer viene chiamato processore o CPU; il microprocessore che si occupa delle operazioni legate alla visualizzazione delle informazioni in un computer viene chiamato GPU o VPU.
I processori sono circuiti contenenti da migliaia a centinaia di milioni di transistor ed altri componenti elettronici, ottenuti sfruttando le caratteristiche di semiconduttività del silicio e la sua relativa facilità di essere convertito in semiconduttore tramite drogaggio. Questi transistor conservano informazioni sotto forma di tensione elettrica, variandone il livello a seconda della logica usata nel funzionamento del circuito.
All'inizio i processori venivano progettati seguendo la classica architettura di von Neumann. Secondo questa architettura, il processore comunica con la memoria e con i dispositivi di input/output tramite tre canali, detti bus.
L'architettura di von Neumann risultava inefficiente nella gestione di più flussi di dati, poiché le istruzioni e i dati erano trasferiti sullo stesso bus. Per superarne i limiti venne sviluppata l'Architettura Harvard. Questa architettura prevede che il flusso dati e il flusso delle istruzioni viaggino su due canali separati all'interno del processore in modo da non disturbarsi a vicenda. Praticamente tutti i moderni processori sono basati su questa architettura dato che la separazione dei dati e delle istruzioni permette agli algoritmi che gestiscono le cache dei processori di funzionare al meglio. L'ultimo processore ad elevate prestazioni basato su architettura di von Neumann è stato l'Intel 80486, mentre gli altri concorrenti avevano abbandonato questa architettura già da alcune generazioni. Intel proseguì a lungo con questa architettura per via della difficoltà di ottenere processori basati su architettura Harvard compatibili a livello binario con il software scritto per l'architettura x86.
# Architetture dei processori/Arithmetic Logic Unit

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L'Arithmetic Logic Unit (ALU) è un'unità dedita allo svolgimento di operazioni matematiche ed è formata da un insieme di porte logiche opportunamente collegate. Queste porte logiche nel loro complesso provvedono ad eseguire tutte le operazioni aritmetiche e logiche gestite dal microprocessore.
Le prime ALU erano in grado di eseguire nativamente solo le operazioni più semplici (addizione, sottrazione e shifting di bit ecc.) e le operazioni logiche booleane (AND, OR, XOR e NOT). Le operazioni più complesse come le operazioni di moltiplicazioni o divisione venivano emulate utilizzando ripetutamente somme o sottrazioni. Con l'evolvere dell'elettronica si è riuscito a integrare nelle ALU anche le operazioni di divisione e moltiplicazione. Le ALU non sono in grado di svolgere tutte le operazioni supportate dai microprocessori moderni, infatti le operazioni in virgola mobile o le operazioni multimediali (tipo AltiVec o MMX) sono svolte da unità specializzate che non risiedono nell'ALU. Le ALU utilizzate dai primi processori erano unità composte da sottounità base. Queste sottounità venivano utilizzate congiuntamente per svolgere le operazioni aritmetiche ma essendo ogni unità in grado di svolgere una parte delle operazioni aritmetica servivano più cicli di clock per completare un'operazione. La richiesta di prestazioni migliori portò alla realizzazioni di ALU più efficienti (che richiedevano un maggior numero di transistor) e alla loro inclusione in strutture come le pipeline.
Per esempio nei primi processori per realizzare le divisioni veniva utilizzata l'unità di sottrazione per emulare la divisione. Questa soluzione pur essendo molto semplice ed economica da implementare era molto lenta. Nei primi processori le somme e le moltiplicazioni venivano realizzate con semplice reti logiche formate da porte AND o OR. Queste reti erano veloci da realizzare ma fornivano i risultati lentamente dato che i riporti dovevano propagarsi e nelle implementazioni più semplici i riporti per propagarsi in modo completo lungo tutta la rete impiegavano un tempo pari al numero di bit da processare. Le implementazioni successive invece utilizzano reti logiche più complesse che effettuano una serie di precalcoli sui dati e sui riporti in modo da parallelizzare le operazioni ed rendere le ALU più veloci. Ovviamente questi circuiti sono più complessi e quindi più costosi da realizzare.
# Confessione di fede di Westminster/cfw06/cfw06-4

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6:4. Da questa caduta originaria, a causa della quale noi siamo (ora) completamente inabili e senza forza, resi nemici di ogni bene (130) e totalmente propensi ad ogni male (131), provengono tutti i (nostri) peccati attuali (132).

## Testo originale

| Inglese | Latina |
| IV. From this original corruption, whereby we are utterly indisposed, disabled, and made opposite to all good, and wholly inclined to all evil, do proceed all actual transgressions. | IV. Ab hac originali labe (qua ad omne bonum facti sumus inhabiles prorsus ac impotentes, eique plane oppositi, ad malum autem omne proclives penitus) proveniunt omnia peccata actualia. |

## Riferimenti biblici

* (130) "Infatti, mentre noi eravamo ancora senza forza, Cristo, a suo tempo, è morto per gli empi ... Difatti, io so che in me, cioè nella mia carne, non abita alcun bene; poiché in me si trova il volere, ma il modo di compiere il bene, no ... infatti ciò che brama la carne è inimicizia contro Dio, perché non è sottomesso alla legge di Dio e neppure può esserlo" (Romani 5:6; 7:18; 8:7); "E voi, che un tempo eravate estranei e nemici a causa dei vostri pensieri e delle vostre opere malvagie" (Colossesi 1:21); "Quello che è nato dalla carne, è carne; e quello che è nato dallo Spirito, è spirito" (Giovanni 3:6).
* (131) "Il SIGNORE vide che la malvagità degli uomini era grande sulla terra e che il loro cuore concepiva soltanto disegni malvagi in ogni tempo. ... Il SIGNORE sentì un odore soave; e il SIGNORE disse in cuor suo: «Io non maledirò più la terra a motivo dell'uomo, poiché il cuore dell'uomo concepisce disegni malvagi fin dall'adolescenza; non colpirò più ogni essere vivente come ho fatto" (Genesi 6:5; 8:21); "...com'è scritto: «Non c'è nessun giusto, neppure uno. Non c'è nessuno che capisca, non c'è nessuno che cerchi Dio. Tutti si sono sviati, tutti quanti si sono corrotti. Non c'è nessuno che pratichi la bontà, no, neppure uno»" (Romani 3:10‑12).
* (132) "... invece ognuno è tentato dalla propria concupiscenza che lo attrae e lo seduce. Poi la concupiscenza, quando ha concepito, partorisce il peccato; e il peccato, quando è compiuto, produce la morte" (Giacomo 1:14-15); "... ai quali un tempo vi abbandonaste seguendo l'andazzo di questo mondo, seguendo il principe della potenza dell'aria, di quello spirito che opera oggi negli uomini ribelli. Nel numero dei quali anche noi tutti vivevamo un tempo, secondo i desideri della nostra carne, ubbidendo alle voglie della carne e dei nostri pensieri; ed eravamo per natura figli d'ira, come gli altri" (Efesini 2:2-3); "Poiché dal cuore vengono pensieri malvagi, omicidi, adultèri, fornicazioni, furti, false testimonianze, diffamazioni" (Matteo 15:19).

## Commento

Da questa (rovinosa, ignominosa, disonorante) caduta originaria, a causa della quale noi siamo (ora) completamente inabili (incapaci, disabili) e senza forza (impotenti, privi di forza), resi nemici (avversi) ad ogni bene e totalmente (radicalmente) propensi ad ogni male, provengono tutti i (nostri) peccati attuali.
# Confessione di fede di Westminster/cfw05/cfw05-7

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5:7 Come la Provvidenza di Dio si estende a tutte le creature in generale, così essa si prende cura peculiare della Sua Chiesa e dispone tutte le cose per il suo bene (122).

## Testo originale

| Inglese | Latino |
| VII. As the providence of God doth, in general, reach to all creatures, so, after a most special manner, it taketh care of his Church, and disposeth all things to the good thereof | VII. Providentia Dei sicut ad omnes creaturas universali modo se extendit; ita modo plane peculiari Ecclesiæ suæ curam gerit, ac in ejus bonum disponit universa. |

## Riferimenti biblici

* (122) "...(infatti per questo fatichiamo e combattiamo): abbiamo riposto la nostra speranza nel Dio vivente, che è il Salvatore di tutti gli uomini, soprattutto dei credenti" (1 Timoteo 4:10); "Ecco, gli occhi del SIGNORE, di DIO, sono sopra il regno colpevole. Io li sterminerò dalla faccia della terra; tuttavia, io non distruggerò interamente la casa di Giacobbe», dice il SIGNORE. «Poiché, ecco, io darò ordini e scuoterò la casa d'Israele fra tutte le nazioni, come si scuote il setaccio; non cadrà nemmeno un granello in terra" (Amos 9:8-9); "Or sappiamo che tutte le cose cooperano al bene di quelli che amano Dio, i quali sono chiamati secondo il suo disegno" (Romani 8:28); "...perché io sono il SIGNORE, il tuo Dio, il Santo d'Israele, il tuo salvatore; io ho dato l'Egitto come tuo riscatto, l'Etiopia e Seba al tuo posto. ... Non temere, perché io sono con te; io ricondurrò la tua discendenza da oriente, e ti raccoglierò da occidente ... Così parla il SIGNORE, il vostro redentore, il Santo d'Israele: «Per amor vostro io mando il nemico contro Babilonia; volgerò tutti in fuga e i Caldei scenderanno sulle navi di cui sono così fieri" (Isaia 43:3‑5,14).
# Confessione di fede di Westminster/cfw06/cfw06-2

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6:2 Per questo peccato essi si sono allontanati dalla loro giustizia originale e comunione con Dio (125), e così sono morti nel peccato (126) e completamente contaminati in tutte le loro facoltà e parti, sia del corpo che dell'anima (127).

## Testo originale

| Inglese | Latino |
| II. By this sin they fell from their original righteousness and communion with God, and so became dead in sin, and wholly defiled in all the faculties and parts of soul and body. | II. Hoc illi peccato, justitia sua originali et communione cum Deo exciderunt; itaque facti sunt in peccato mortui, atque in omnibus facultatibus ac partibus animæ corporisque penitus contaminati. |

## Riferimenti biblici

* (125) "La donna osservò che l'albero era buono per nutrirsi, che era bello da vedere e che l'albero era desiderabile per acquistare conoscenza; prese del frutto, ne mangiò e ne diede anche a suo marito, che era con lei, ed egli ne mangiò. Allora si aprirono gli occhi ad entrambi e s'accorsero che erano nudi; unirono delle foglie di fico e se ne fecero delle cinture. Poi udirono la voce di Dio il SIGNORE, il quale camminava nel giardino sul far della sera; e l'uomo e sua moglie si nascosero dalla presenza di Dio il SIGNORE fra gli alberi del giardino" (Genesi 3:6-8); "Questo soltanto ho trovato: che Dio ha fatto l'uomo retto, ma gli uomini hanno cercato molti sotterfugi" (Ecclesiaste 7:29); "...tutti hanno peccato e sono privi della gloria di Dio" (Romani 3:23).
* (126) "...ma dell'albero della conoscenza del bene e del male non ne mangiare; perché nel giorno che tu ne mangerai, certamente morirai" (Genesi 2:17); "Dio ha vivificato anche voi, voi che eravate morti nelle vostre colpe e nei vostri peccati" (Efesini 2:1).
* (127) "Tutto è puro per quelli che sono puri; ma per i contaminati e gli increduli niente è puro; anzi, sia la loro mente sia la loro coscienza sono impure" (Tito 1:15); "Il cuore è ingannevole più di ogni altra cosa, e insanabilmente maligno; chi potrà conoscerlo?" (Geremia 17:9); " com'è scritto: «Non c'è nessun giusto, neppure uno. Non c'è nessuno che capisca, non c'è nessuno che cerchi Dio. Tutti si sono sviati, tutti quanti si sono corrotti. Non c'è nessuno che pratichi la bontà, no, neppure uno». «La loro gola è un sepolcro aperto; con le loro lingue hanno tramato frode». «Sotto le loro labbra c'è un veleno di serpenti». «La loro bocca è piena di maledizione e di amarezza». «I loro piedi sono veloci a spargere il sangue. Rovina e calamità sono sul loro cammino e non conoscono la via della pace». «Non c'è timor di Dio davanti ai loro occhi»" (Romani 3:10‑18).

## Commento

Per questo peccato essi (i nostri progenitori) si allontanarono (si tagliarono fuori, decaddero) dalla loro giustizia (rettitudine) originale e comunione con Dio, e così morirono nel peccato (conobbero la morte) e divennero completamente (radicalmente, totalmente) contaminati (corrotti) in tutte le loro facoltà e parti, sia del corpo che dell'anima (in ogni loro facoltà fisica e spirituale).
# Confessione di fede di Westminster/cfw30/cfw30-1

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30:1 Il Signore Gesù, come Re e Capo della Sua Chiesa, ha costituito in essa un governo, affidandolo alle mani di funzionari ecclesiastici distinti dal magistrato civile (554).

## Testo originale

| Inglese | Latino |
| I. The Lord Jesus, as king and head of his Church, hath therein appointed a government in the hand of Church officers, distinct from the civil magistrate. | I. Dominus Jesus quatenus Rex et caput Ecclesiæ suæ constituit in ea regimen, quod in officiariorum Ecclesiasticorum manu foret, distinctum a civili Magistratu. |

## Riferimenti biblici

* (554) "...per dare incremento all'impero e una pace senza fine al trono di Davide e al suo regno, per stabilirlo fermamente e sostenerlo mediante il diritto e la giustizia, da ora e per sempre: questo farà lo zelo del SIGNORE degli eserciti ... Il Signore manda una parola a Giacobbe, ed essa cade sopra Israele" (Isaia 9:6-7); "Gli anziani che tengono bene la presidenza siano reputati degni di doppio onore, specialmente quelli che si affaticano nella predicazione e nell'insegnamento" (1 Timoteo 5:17); "Fratelli, vi preghiamo di aver riguardo per coloro che faticano in mezzo a voi, che vi sono preposti nel Signore e vi istruiscono" (1 Tessalonicesi 5:12); "Da Mileto mandò a Efeso a chiamare gli anziani della chiesa. Quando giunsero da lui, disse loro: «Voi sapete in quale maniera, dal primo giorno che giunsi in Asia, mi sono sempre comportato con voi" (Atti 20:17-18); "Ricordatevi dei vostri conduttori, i quali vi hanno annunciato la parola di Dio; e considerando quale sia stata la fine della loro vita, imitate la loro fede ... Ubbidite ai vostri conduttori e sottomettetevi a loro, perché essi vegliano per le vostre anime come chi deve renderne conto, affinché facciano questo con gioia e non sospirando; perché ciò non vi sarebbe di alcuna utilità ... Salutate tutti i vostri conduttori e tutti i santi. Quelli d'Italia vi salutano" (Ebrei 13:7,17,24); "E Dio ha posto nella chiesa in primo luogo degli apostoli, in secondo luogo dei profeti, in terzo luogo dei dottori, poi miracoli, poi doni di guarigioni, assistenze, doni di governo, diversità di lingue" (1 Corinzi 12:28); "E Gesù, avvicinatosi, parlò loro, dicendo: «Ogni potere mi è stato dato in cielo e sulla terra ... insegnando loro a osservare tutte quante le cose che vi ho comandate. Ed ecco, io sono con voi tutti i giorni, sino alla fine dell'età presente" (Matteo 28:18‑20).
# Confessione di fede di Westminster/cfw29/cfw29-5

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29:5 Gli elementi esteriori di questo Sacramento, messi debitamente a parte per gli usi ordinati da Cristo, hanno un tale legame con Lui crocifisso da essere veramente, ma solo sacramentalmente, chiamati con il nome delle cose che essi rappresentano, vale a dire il corpo ed il sangue di Cristo (547). Tuttavia, in sostanza ed in natura, essi rimangono veramente e solamente nulla di meno di quanto erano prima, vale a dire pane e vino (548).

## Testo originale

| Inglese | Latino |
| V. The outward elements in this sacrament, duly set apart to the uses ordained by Christ, have such relation to him crucified, as that truly, yet sacramentally only, they are sometimes called by the name of the things they represent, to wit, the body and blood of Christ; albeit, in substance and nature, they still remain truly, and only, bread and wine, as they were before remain truly, and only, bread and wine, as they were before. | V. In hoc Sacramento externa elementa ad usus a Christo institutos rite separata, ita ad eum crucifixum referuntur ut rerum quas repræsentat nominibus (corporis nempe ac sanguinis Christi) vere quidem, at Sacramentaliter tantum, sint nuncupata, manent siquidem adhuc quoad substantiam et naturam vere solumque panis ac vinum nihilo minus quam antea fuerant. |

## Riferimenti biblici

* (547) "Mentre mangiavano, Gesù prese del pane e, dopo aver detto la benedizione, lo spezzò e lo diede ai suoi discepoli dicendo: «Prendete, mangiate, questo è il mio corpo» ... perché questo è il mio sangue, il sangue del patto, il quale è sparso per molti per il perdono dei peccati." (Matteo 26:26‑28).
* (548) "Poiché ogni volta che mangiate questo pane e bevete da questo calice, voi annunciate la morte del Signore, finché egli venga». Perciò, chiunque mangerà il pane o berrà dal calice del Signore indegnamente, sarà colpevole verso il corpo e il sangue del Signore. Ora ciascuno esamini se stesso, e così mangi del pane e beva dal calice" (1 Corinzi 11:26‑28); "Vi dico che da ora in poi non berrò più di questo frutto della vigna, fino al giorno che lo berrò nuovo con voi nel regno del Padre mio" (Matteo 26:29).

## Note

Gli elementi esteriori di questo Sacramento, messi debitamente a parte per gli usi ordinati da Cristo [che cristo ha stabilito], hanno un tale legame [rapporto, riferimento] con Lui crocifisso da essere veramente, ma solo sacramentalmente, chiamati con il nome delle cose che essi rappresentano, vale a dire il corpo ed il sangue di Cristo. Tuttavia, in sostanza ed in natura, essi rimangono veramente e solamente nulla di meno di quanto erano prima, pane e vino.