Uma CPU pode funcionar com nada mais que uma fonte de alimentação e uma ROM, usando apenas o cache interno como RAM?

Uma CPU (como a Intel i3 / i5 / i7 / Xeon) com RAM de cache no chip pode usá-la como sua única RAM funcional, sem bancos de memória externos conectados?

Ou deve haver RAM externa e o cache não pode ser acessado ou usado sozinho?

As CPUs de desktop / servidor modernas costumam ter mais RAM interna do cache do que muitos computadores dos anos 90 tinham na memória inteira do sistema; portanto, deve haver bastante o suficiente para executar código simples.

As CPUs anteriores à existência do cache, como o 6502, seriam incapazes de fazer qualquer coisa, pois a RAM interna da CPU chegava a apenas alguns bytes para o contador de endereços e acumuladores.

Não se trata de executar qualquer tipo de sistema operacional moderno, mas executar um código simples programado em uma ROM personalizada ou inserido manualmente com um teclado de entrada hexadecimal.

Veja esta conta extremamente detalhada da sequência de inicialização do PC: http://www.drdobbs.com/parallel/booting-an-intel-architecture-system-par/232300699?pgno=2

Como nenhuma DRAM está disponível neste momento, o código opera inicialmente em um ambiente sem pilha. A maioria dos processadores modernos possui um cache interno que pode ser configurado como RAM para fornecer uma pilha de software. Os desenvolvedores devem escrever um código extremamente rígido ao usar esse recurso de cache como RAM, porque uma remoção seria inaceitável para o sistema neste momento na sequência de inicialização; não há memória para manter a coerência. É por isso que os processadores operam no "No Evict Mode" (NEM) neste momento do processo de inicialização, quando estão operando em cache como RAM. No NEM, uma falta de linha de cache no processador não causará um despejo. Desenvolver código com uma pilha de software disponível é muito mais fácil, e o código de inicialização geralmente executa a configuração mínima para usar uma pilha mesmo antes da inicialização da DRAM.

Você pode observar isso executando um PC sem RAM: ele reproduzirá uma série de bipes. O programa que os reproduz é executado a partir da BIOS Flash ROM.

Eu também vi esse comportamento em alguns processadores ARM. Existem registros de configuração dentro do SoC que permitem que você use o cache como RAM no início da sequência de inicialização, para executar um programa que encontre, enumere e configure a DRAM.

Geralmente, a memória cache não é endereçável. Um programa não pode armazenar ou recuperar dados intencionalmente.

Embora isso não atenda diretamente às famílias de processadores especificadas na pergunta, o esquema abaixo funcionaria nos processadores x86 anteriores; portanto, é possível operar sem RAM ou cache, embora essa abordagem exija algumas habilidades criativas de programação.

Nos anos 80, deparei-me com um design para um receptor de rádio que decodificava os sinais de tempo de MSF transmitidos no Reino Unido. Esse design usava um processador Z80 e só possuía uma ROM para o armazenamento do programa. Todo o processamento e armazenamento de dados foi realizado usando os registros internos no processador. Obviamente, isso significava que não havia chamadas de sub-rotina, pois havia memória disponível para armazenar a pilha.

Naquela época, o custo da RAM era alto e, como se tratava de um projeto de hobby, manter os custos baixos era importante, além de ser um exercício acadêmico interessante. Isso também ocorreu antes dos dias de microcontroladores amplamente disponíveis (um 8751 com eprom custa mais de £ 100 IIRC).

Normalmente, uma CPU requer um relógio externo. Mas com isso, sim, pode.