¿Puede una CPU funcionar con nada más que una fuente de alimentación y una ROM, utilizando solo el caché interno como RAM?

¿Puede una CPU (como Intel i3 / i5 / i7 / Xeon) con RAM de caché en chip usar eso como su única RAM funcional, sin ningún banco de memoria externo conectado?

¿O debe haber RAM externa y no se puede acceder a la caché o usarla sola?

Las CPU de escritorio / servidor modernas a menudo tienen más RAM de caché interna que la que tenían muchas computadoras de 1990 en toda la memoria del sistema, por lo que debería haber suficiente para ejecutar código simple.

Las CPU de antes de la caché existían, como el 6502 no podría hacer nada, ya que la RAM interna de la CPU solo ascendía a unos pocos bytes para el contador de direcciones y los acumuladores.

No se trata de ejecutar ningún tipo de sistema operativo moderno, sino de ejecutar un código simple programado en una ROM personalizada o ingresado manualmente con un teclado de entrada hexadecimal.

Vea esta cuenta extremadamente detallada de la secuencia de arranque de la PC: http://www.drdobbs.com/parallel/booting-an-intel-architecture-system-par/232300699?pgno=2

Como no hay DRAM disponible en este momento, el código opera inicialmente en un entorno sin pila. La mayoría de los procesadores modernos tienen una memoria caché interna que se puede configurar como RAM para proporcionar una pila de software. Los desarrolladores deben escribir código extremadamente estricto cuando usan esta función de caché como RAM porque un desalojo sería inaceptable para el sistema en este punto de la secuencia de arranque; No hay memoria para mantener la coherencia. Es por eso que los procesadores operan en "Modo sin desalojo" (NEM) en este punto del proceso de arranque, cuando operan en una memoria caché como RAM. En NEM, una falta de línea de caché en el procesador no causará un desalojo. Desarrollar código con una pila de software disponible es mucho más fácil, y el código de inicialización a menudo realiza la configuración mínima para usar una pila incluso antes de la inicialización de DRAM.

Puede observar esto ejecutando una PC sin RAM: reproducirá una serie de pitidos. El programa que los reproduce se ejecuta desde la BIOS Flash ROM.

También he visto este comportamiento en algunos procesadores ARM. Habrá registros de configuración dentro del SoC que le permitirán usar la memoria caché como RAM al principio de la secuencia de arranque, para ejecutar un programa que encuentre, enumere y configure la DRAM.

Generalmente, la memoria caché no es direccionable. Un programa no puede almacenar ni recuperar datos intencionalmente de él.

Si bien esto no aborda directamente las familias de procesadores especificadas en la pregunta, el esquema a continuación funcionaría en los procesadores x86 anteriores, por lo que sí, es posible operar sin RAM o caché, aunque este enfoque requiere algunas habilidades creativas de programación.

En la década de 1980, me encontré con un diseño para un receptor de radio que decodificaba las señales horarias de MSF transmitidas en el Reino Unido. Este diseño utilizaba un procesador Z80 y solo tenía una ROM para el almacenamiento del programa. Todo el procesamiento y almacenamiento de datos se realizó utilizando los registros internos dentro del procesador. Obviamente, esto significaba que no podía haber llamadas de subrutina ya que había memoria disponible para contener la pila.

En aquel entonces, el costo de la RAM era alto y, dado que se trataba de un proyecto de pasatiempo, era importante mantener los costos bajos, además de ser un ejercicio académico interesante. Esto también fue antes de los días de microcontroladores ampliamente disponibles (un 8751 con un costo de eprom superior a £ 100 IIRC).

Por lo general, una CPU requerirá un reloj externo. Pero con eso, sí puede.