El ciclo de instrucción (también conocido como ciclo de recuperación-decodificación-ejecución , o simplemente ciclo de recuperación-ejecución ) es el ciclo que sigue la unidad central de procesamiento (CPU) desde el arranque hasta que la computadora se apaga para poder procesar instrucciones. . Se compone de tres etapas principales: la etapa de búsqueda, la etapa de decodificación y la etapa de ejecución.
En las CPU más simples, el ciclo de instrucciones se ejecuta secuencialmente y cada instrucción se procesa antes de que se inicie la siguiente. En la mayoría de las CPU modernas, los ciclos de instrucciones se ejecutan al mismo tiempo , y a menudo en paralelo , a través de una canalización de instrucciones : la siguiente instrucción comienza a procesarse antes de que finalice la instrucción anterior, lo cual es posible porque el ciclo se divide en pasos separados. [1]
El contador de programa (PC) es un registro especial que contiene la dirección de memoria de la siguiente instrucción a ejecutar. Durante la etapa de búsqueda, la dirección almacenada en la PC se copia en el registro de direcciones de memoria (MAR) y luego la PC se incrementa para "apuntar" a la dirección de memoria de la siguiente instrucción a ejecutar. Luego, la CPU toma la instrucción en la dirección de memoria descrita por el MAR y la copia en el registro de datos de la memoria (MDR) . El MDR también actúa como un registro bidireccional que contiene datos obtenidos de la memoria o datos en espera de ser almacenados en la memoria (también se conoce como registro de búfer de memoria (MBR) debido a esto). Finalmente, la instrucción en el MDR se copia en el registro de instrucciones actual (CIR) , que actúa como un punto de retención temporal para la instrucción que acaba de ser recuperada de la memoria.
Durante la etapa de decodificación, la unidad de control (CU) decodificará la instrucción en el CIR. Luego, la CU envía señales a otros componentes dentro de la CPU, como la unidad aritmética lógica (ALU) y la unidad de punto flotante (FPU) . La ALU realiza operaciones aritméticas como suma y resta y también multiplicación mediante suma repetida y división mediante resta repetida. [ dudoso ] También realiza operaciones lógicas como AND , OR , NOT y cambios binarios . La FPU está reservada para realizar operaciones de punto flotante .
La CPU de cada computadora puede tener diferentes ciclos basados en diferentes conjuntos de instrucciones, pero será similar al siguiente ciclo:
Además, en la mayoría de los procesadores pueden producirse interrupciones . Esto hará que la CPU salte a una rutina de servicio de interrupción, la ejecute y luego regrese. En algunos casos, una instrucción puede interrumpirse a la mitad; la instrucción no tendrá ningún efecto, pero se volverá a ejecutar después de regresar de la interrupción.
El ciclo comienza tan pronto como se aplica energía al sistema, con un valor de PC inicial que está predefinido por la arquitectura del sistema (por ejemplo, en las CPU Intel IA-32 , el valor de PC predefinido es 0xfffffff0). Normalmente, esta dirección apunta a un conjunto de instrucciones en la memoria de sólo lectura (ROM), que inicia el proceso de carga (o arranque ) del sistema operativo . [2]
El paso de recuperación es el mismo para cada instrucción:
La unidad de control recupera la dirección de la instrucción de la unidad de memoria .
El proceso de decodificación permite al procesador determinar qué instrucción se va a realizar para que la CPU pueda decir cuántos operandos necesita recuperar para realizar la instrucción. El código de operación obtenido de la memoria se decodifica para los siguientes pasos y se mueve a los registros apropiados. La decodificación normalmente se realiza mediante decodificadores binarios en la unidad de control de la CPU .
Este paso evalúa qué tipo de operación se va a realizar. Si es una operación de memoria, la computadora verifica si es una operación de memoria directa o indirecta:
Si se trata de una instrucción de E/S o de registro, la computadora verifica su tipo y ejecuta la instrucción.
La CPU envía la instrucción decodificada como un conjunto de señales de control a los componentes correspondientes de la computadora. Si la instrucción involucra aritmética o lógica, se utiliza la ALU. Esta es la única etapa del ciclo de instrucción que es útil desde la perspectiva del usuario final. Todo lo demás es una sobrecarga necesaria para que se realice el paso de ejecución.