Caratteristiche della CPU: word, ciclo di clock

La memoria, come si è fatto rilevare, è organizzata a byte e, d'altronde, un singolo carattere di un dato alfanumerico, necessita di un byte per poter essere conservato. Anche per la conservazione in memoria di dati numerici si fa sempre riferimento a multipli del byte.

Nelle CPU più vecchie, l'unità di informazione prelevata o inviata in memoria, in operazioni di lettura o scrittura rispettivamente, era il byte. Con l'aumentare della potenza delle CPU l'unità di informazione prelevata, inviata o elaborata è diventata un multiplo del byte e viene chiamata word. Una CPU che adotta una word di 16 bit (grado di parallelismo), per ogni accesso in lettura in memoria, legge due byte e le operazioni vengono effettuate considerando 16 bit per volta. Tutti i registri in cui vengono conservati dati, hanno questa dimensione. Nelle CPU attuali vengono utilizzate word di 32 bit (architetture IA-32, Intel Architecture a 32 bit) e si sta migrando verso architetture IA-64 con word di 64 bit.

I compilatori che traducono le istruzioni di un programma, scritto in un linguaggio ad alto livello come il C/C++, in istruzioni eseguibili, mettono a disposizione contenitori della dimensione di una word per rendere più efficiente la gestione della memoria e più veloci le operazioni con dati che vengono conservati in essi. Il dato di tipo int del C/C++ è, appunto, un contenitore che ha la dimensione di una word e le operazioni, con dati numerici contenuti in una variabile di questo tipo, vengono svolte in maniera rapida. Non è un caso, per esempio, che nei cicli a contatore (for) la variabile che controlla il ciclo, deve essere di quel tipo: la variabile viene modificata ad ogni iterazione e l'operazione è più veloce se la sua dimensione coincide con la dimensione su cui lavora la CPU. Anche i tipi numerici più complessi, float o double, hanno dimensioni multiple della word.

Anche per gli indirizzi di memoria viene utilizzata una word. Fra l'altro è questo uno dei motivi per cui la dimensione della word è aumentata nel tempo. Una CPU che ha una word di 32 bit può indirizzare fino a 2³² = 4.294.967.296 (4 Gb) locazioni di memoria. Questa è la potenza di indirizzamento: il numero massimo di locazioni di memoria accessibili. È la dimensione della word che determina la limitatezza della memoria principale: non si possono installare più locazioni di memoria centrale di quante non ne sono indirizzabili perché, semplicemente, non sarebbero accessibili.

Per sincronizzare l'azione della CPU con quella degli altri dispositivi, nella motherboard, è presente un apposito circuito: il clock di sistema. La sincronizzazione è importante perché, per esempio in una operazione di scrittura in memoria, il circuito di memoria deve sapere quando è il momento di andare a leggere dal bus, o la CPU deve sapere quando è il momento di prelevare il risultato di una operazione.

Il clock è un circuito che commuta fra il valore zero e un valore associato ad uno e viceversa. Si definisce ciclo di clock il tempo trascorso fra due commutazioni di clock. Il ciclo deve svolgersi in un tempo tale da consentire a tutti i circuiti interessati il completamento corretto dell'operazione effettuata.

Si chiama frequenza di clock il numero di clock nell'unità di tempo. Maggiore sarà la frequenza e maggiori sono le operazioni che si possono fare nello stesso tempo. La frequenza viene misurata in Hertz: numero di cicli al secondo. Le moderne CPU sono molto veloci e, per misurare la frequenza, vengono utilizzati multipli dell'unità di misura, così si parla di Mhz (megahertz ovvero milioni di cicli al secondo) o Ghz (gigahertz ovvero miliardi di operazioni al secondo).