# Come funziona il Computer ## Introduzione Quando usiamo un computer, siamo abituati a vederlo come una macchina complessa capace di svolgere una miriade di compiti: scrivere documenti, navigare su Internet, giocare o persino eseguire calcoli complessi. Ma cosa succede “sotto la scocca”? Cosa permette al computer di portare a termine queste operazioni? Un computer esegue **programmi**, che possiamo immaginare come una serie di istruzioni organizzate in sequenza per svolgere operazioni precise. Un programma può richiedere al computer di fare calcoli, manipolare dati, o interagire con l’utente. Quando un programma viene lanciato, si trasforma in un **processo**: un’entità attiva che la CPU esegue, istruzione dopo istruzione. ## Programmi e memoria di lavoro: l’architettura di Von Neumann Nell’**architettura di Von Neumann**, utilizzata dalla maggior parte dei computer moderni, i programmi (ovvero l'insieme di istruzioni elementari) e i dati su cui operano vengono memorizzati nella **memoria di lavoro** o **RAM** (Random Access Memory). La memoria di lavoro è uno spazio in cui ogni programma in esecuzione viene caricato assieme ai suoi dati, come numeri, testi e altri elementi che serviranno durante l’esecuzione. Questa architettura permette alla CPU di accedere in modo dinamico a ciascuna istruzione del programma, che è posizionata in una specifica area della memoria. Ogni istruzione è identificata da un **indirizzo di memoria**: un’etichetta che indica alla CPU dove si trova esattamente quell’istruzione all'interno della memoria. Durante l’esecuzione, la CPU leggerà dalla memoria, istruzione per istruzione, per portare avanti l'esecuzione del programma. ## La CPU: CU, ALU e Registri La **CPU** (Central Processing Unit) è la componente centrale del computer che si occupa di eseguire le istruzioni dei programmi. La CPU può essere vista come composta da tre principali parti: 1. **Control Unit (CU)**: l’Unità di Controllo, che interpreta le istruzioni e gestisce il flusso delle operazioni. 2. **Arithmetic Logic Unit (ALU)**: l’Unità Aritmetico-Logica, che esegue le operazioni matematiche (come addizioni o moltiplicazioni) e logiche (come confronti tra valori, *and* e *or*). 3. **Registri**: piccoli spazi di memoria interna alla CPU, usati per conservare temporaneamente i dati su cui la CPU sta lavorando. Uno dei registri più importanti è il **Program Counter** (PC), che contiene l’indirizzo della prossima istruzione da eseguire. Il Program Counter è fondamentale, perché indica alla CPU in quale posizione della memoria deve andare a prendere l’istruzione successiva. Grazie al Program Counter, la CPU sa sempre dove si trova nel programma e quale istruzione deve svolgere successivamente. ## Il ciclo di Fetch-Decode-Execute  Per eseguire un programma, la CPU segue un ciclo ripetitivo chiamato **fetch-decode-execute** (prelievo-decodifica-esecuzione). Questo ciclo rappresenta il modo in cui la CPU preleva un’istruzione, la interpreta e la esegue. Vediamo nel dettaglio ciascuna fase del ciclo. ### Fetch (Prelievo) La prima fase è il **fetch**, ovvero il prelievo dell’istruzione. Durante questa fase, la CPU utilizza il *Program Counter* per accedere alla memoria di lavoro e prelevare l’istruzione memorizzata nell’indirizzo indicato dal *Program Counter*. Ad esempio, se il *Program Counter* contiene l’indirizzo 200, la CPU andrà in memoria alla posizione 200 e recupererà l’istruzione presente in quella posizione. Dopo il prelievo, il *Program Counter* si aggiorna per puntare all’indirizzo successivo (per esempio, 201), preparandosi così per il ciclo successivo. ### Decode (Decodifica) Nella fase di **decode**, la CPU interpreta l’istruzione appena prelevata. Questo compito è svolto dalla Control Unit, che “legge” l’istruzione e capisce quali operazioni deve eseguire. Ad esempio, supponiamo che l’istruzione sia “somma il contenuto del Registro A con il contenuto del Registro B e salva il risultato nel Registro C”. La CU capisce che si tratta di un’operazione aritmetica e quindi configura la ALU per svolgere una somma. In pratica, la CU invia segnali specifici alla ALU per dirle esattamente cosa deve fare e con quali registri deve lavorare. La decodifica è quindi la fase in cui la CU “prepara” la CPU per eseguire l’operazione. ### Execute (Esecuzione) Nella fase di **execute**, la CPU esegue l’operazione. Se l’istruzione è una somma, la ALU prende i valori nei registri specificati (come A e B), li somma e scrive il risultato nel registro indicato (ad esempio, il Registro C). Se invece l’istruzione è di confronto, la ALU confronterà i valori e potrebbe aggiornare la CPU su quale valore è maggiore, minore o uguale. Certamente, ecco una descrizione delle principali operazioni della CPU organizzate nelle categorie richieste. --- ## Le principali operazioni della CPU Per eseguire le istruzioni di un programma, la CPU svolge diversi tipi di operazioni fondamentali. Queste operazioni consentono alla CPU di gestire dati, prendere decisioni, interagire con l’ambiente esterno e gestire il flusso di esecuzione del programma. Vediamo le principali categorie: ### Operazioni di I/O (Input/Output)  Le operazioni di Input/Output consentono alla CPU di comunicare con i dispositivi esterni, come tastiere, mouse, schermi, stampanti e dischi. Grazie a queste operazioni, la CPU può ricevere dati in ingresso (input) da un dispositivo o inviare dati in uscita (output) verso un dispositivo. Ad esempio, quando scriviamo con la tastiera, la CPU esegue un’operazione di input per leggere i caratteri digitati, mentre quando visualizziamo qualcosa sullo schermo, la CPU esegue un’operazione di output per inviare le informazioni da mostrare. ### Operazioni logico-aritmetiche  Le operazioni logico-aritmetiche comprendono tutti i calcoli e i confronti di cui ha bisogno un programma. Sono eseguite principalmente dalla ALU (Arithmetic Logic Unit) e includono: - **Operazioni aritmetiche** come addizione, sottrazione, moltiplicazione e divisione. Queste operazioni sono fondamentali per qualsiasi tipo di calcolo e sono utilizzate in un’ampia gamma di applicazioni, dai giochi alle simulazioni scientifiche. - **Operazioni logiche**, come confronti tra valori (es. maggiore, minore, uguale) e operazioni booleani (AND, OR, NOT). Le operazioni logiche permettono al programma di prendere decisioni in base a condizioni specifiche, ad esempio verificando se un valore è maggiore di un altro per proseguire in una direzione o in un’altra. ### Operazioni di memorizzazione  La CPU può leggere e scrivere dati nella memoria di lavoro. Le operazioni di **lettura** recuperano i dati dalla memoria, mentre le operazioni di **scrittura** salvano nuovi dati in una specifica posizione di memoria. Queste operazioni sono essenziali per conservare i risultati intermedi o finali delle elaborazioni, così come per accedere alle informazioni necessarie per completare un’istruzione. Ad esempio, se il programma richiede la somma di due numeri, la CPU caricherà quei numeri dai rispettivi indirizzi di memoria e, dopo il calcolo, potrà salvare il risultato in una nuova posizione di memoria. ### Operazioni di controllo del flusso Le operazioni di controllo del flusso permettono alla CPU di gestire la sequenza di esecuzione delle istruzioni. Normalmente, le istruzioni di un programma vengono eseguite in sequenza, ma, grazie a queste operazioni, la CPU può saltare a un’altra parte del programma, ripetere una sezione o prendere decisioni basate su condizioni. Le principali operazioni di controllo del flusso includono: - **Istruzioni di salto**: consentono al Program Counter di puntare a un indirizzo di memoria diverso, permettendo di cambiare la sequenza di esecuzione. Sono utilizzate per implementare cicli e condizioni (es. if-else). - **Interruzioni**: eventi che interrompono temporaneamente l’esecuzione corrente per permettere alla CPU di gestire eventi esterni o interni, come l’arrivo di dati o la gestione di errori. Una volta completata l’interruzione, la CPU può riprendere l’esecuzione da dove era stata interrotta.