Ciclo de instrucción

El ciclo de instrucciones (también conocido como ciclo de búsqueda-decodificación-ejecución , o simplemente ciclo de búsqueda-ejecución ) es el ciclo que sigue la unidad central de procesamiento (CPU) desde el arranque hasta el apagado del ordenador para 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, procesándose cada instrucción antes de que comience la siguiente. En la mayoría de las CPU modernas, los ciclos de instrucciones se ejecutan concurrentemente , y a menudo en paralelo , mediante una tubería de instrucciones : la siguiente instrucción comienza a procesarse antes de que la anterior haya finalizado, lo cual es posible porque el ciclo se divide en pasos separados. ^{[ 1 ]}

La CPU de cada computadora puede tener diferentes ciclos según diferentes conjuntos de instrucciones, pero serán similares al siguiente ciclo: ^{[ 3 ]}

1. Etapa de búsqueda : La etapa de búsqueda inicia el ciclo de instrucción recuperando la siguiente instrucción de la memoria. Durante esta etapa, se consulta al contador de programa (PC) la dirección de la instrucción en memoria (mediante el registro MAR). A continuación, la instrucción se almacena desde el registro MDR al registro CIR. Al finalizar esta etapa, el PC apunta a la siguiente instrucción que se leerá en el siguiente ciclo.
2. Etapa de decodificación : Durante esta etapa, la instrucción codificada en el CIR es interpretada por la CU. Determina qué operaciones y operandos adicionales se requieren para la ejecución y envía las señales correspondientes a los componentes respectivos dentro de la CPU, como la ALU o la FPU, para preparar la ejecución de la instrucción.
3. Etapa de ejecución : En esta etapa, las unidades funcionales de la CPU ejecutan la operación especificada por la instrucción. La ALU puede realizar operaciones lógicas o aritméticas, leer o escribir datos en la memoria y almacenar los resultados en registros o memoria según lo requiera la instrucción. En función de la salida de la ALU, el contador de programa (PC) puede bifurcarse.
4. Repetir el ciclo

Además, en la mayoría de los procesadores pueden producirse interrupciones . Esto provoca que la CPU salte a una rutina de servicio de interrupción, la ejecute y luego regrese a la instrucción que debía estar ejecutando. En algunos casos, la instrucción puede interrumpirse a mitad de su ejecución, pero esto no tendrá ningún efecto y la instrucción se volverá a ejecutar tras el retorno de la interrupción.

El primer ciclo de instrucciones comienza tan pronto como se aplica energía al sistema, con un valor PC inicial predefinido por la arquitectura del sistema (por ejemplo, en las CPU Intel IA-32 , el valor PC predefinido es 0xfffffff0mientras que para las CPU con arquitectura ARM , es 0x00000000). Normalmente, esta dirección apunta a un conjunto de instrucciones en la memoria de solo lectura (ROM), que inicia el proceso de carga (o arranque ) del sistema operativo . ^{[ 4 ]}

La etapa de obtención es la misma para cada instrucción:

1. El PC contiene la dirección de la instrucción que se va a obtener.
2. Esta dirección se copia al MAR, donde se utiliza para sondear la ubicación de la instrucción en la memoria.
3. La CU envía una señal al bus de control para leer la memoria en la dirección en MAR; los datos leídos se colocan en el bus de datos . ^{[ 5 ]}
4. Los datos se transfieren a la CPU a través del bus de datos, donde se cargan en el MDR; en esta etapa, el PC se incrementa en uno.
5. El contenido (instrucción a ejecutar) del MDR se copia en el CIR (donde se pueden decodificar el código de operación de la instrucción y el operando de datos).

El proceso de decodificación permite al procesador determinar qué instrucción se debe ejecutar, de modo que la CPU pueda saber cuántos operandos necesita obtener para ejecutarla. El código de operación obtenido de la memoria se decodifica para los siguientes pasos y se transfiere a los registros correspondientes. La decodificación la realizan normalmente los decodificadores binarios de la unidad de control (CU) de la CPU. ^{[ 6 ]}

La CPU envía la instrucción decodificada (decodificada desde la CU) como un conjunto de señales de control a los componentes correspondientes. Dependiendo del tipo de instrucción, puede ocurrir cualquiera de las siguientes situaciones:

• Las operaciones aritméticas/lógicas pueden ser ejecutadas por la ALU (por ejemplo, ADD, SUB, AND, OR) ^{[ 8 ].}
• Se pueden ejecutar operaciones de lectura/escritura en la memoria (por ejemplo, cargar/almacenar bytes).
• Se pueden ejecutar alteraciones del flujo de control (por ejemplo, saltos o bifurcaciones); en esta etapa, si ocurriera un salto, en lugar de que el PC se incremente al puntero adyacente, saltaría al puntero especificado en la instrucción.

Esta es la única etapa del ciclo de instrucciones que resulta útil desde la perspectiva del usuario final. Todo lo demás es sobrecarga necesaria para que se lleve a cabo la ejecución.

• Segmento de tiempo , unidad de planificación del sistema operativo
• Pipeline RISC clásico
• Computadora con conjunto de instrucciones complejo
• Ciclos por instrucción
• Predictor de ramificaciones
• Arquitectura del conjunto de instrucciones