Ciclo di istruzioni nella CPU: come funzionano Fetch, Decode ed Execute

Al fine di semplificare e rendere più comprensibili i concetti spiegati in questo articolo, abbiamo deciso di descrivere un processore estremamente semplice per i tempi attuali, quindi in questo articolo vedrai una spiegazione di quali sono i cicli di istruzione in modo generalizzato che possono essere applicati dai primi processori a 8 bit a quelli più complessi oggi disponibili

Visualizzazione del ciclo di istruzione

I processori non sono diversi da un certo punto di vista da un motore a combustione, che esegue sempre un processo continuo di esplosione di carburante in diversi stadi, siano essi 2 tempi o 4 tempi. La ragione di ciò è che i processori lavorano in tre diverse fasi nella loro versione più semplice, che sono le seguenti:

• Recupera o acquisisci: In cui l'istruzione viene catturata dalla RAM e copiata all'interno del processore.
• Decodifica o decodifica: In cui l'istruzione precedentemente acquisita viene decodificata e inviata alle unità di esecuzione
• Esegui: Dove l'istruzione viene risolta e il risultato scritto nei registri interni del processore o in un indirizzo di memoria della RAM

Queste tre fasi sono soddisfatte in ogni processore. C'è una quarta fase, che è Write-Back, ovvero quando le unità di esecuzione scrivono il risultato, ma questo di solito viene conteggiato all'interno della fase di esecuzione del ciclo di istruzione.

Prima fase del ciclo di istruzione: Fetch

La prima fase del ciclo di istruzione è responsabile dell'acquisizione delle istruzioni nel file RAM memoria assegnata al processore attraverso una serie di unità e registri che sono i seguenti:

1. Contatore di programma o contatore di programma: Che punta alla riga di memoria successiva in cui si trova l'istruzione del processore successivo. Il suo valore viene incrementato di 1 ogni volta che viene completato un ciclo completo di istruzioni o quando un'istruzione di salto modifica il valore del contatore del programma.
2. Registro degli indirizzi di memoria: Il MAR copia il contenuto del PC e lo invia alla RAM tramite i pin di indirizzamento della CPU, che sono cablati con i pin di indirizzamento della RAM stessa.
3. Registro dati memoria o registro dati memoria : Nel caso in cui la CPU debba eseguire una lettura della memoria, ciò che fa l'MDR è copiare il contenuto di quell'indirizzo di memoria in un registro interno della CPU, che è un registro di passaggio temporaneo prima che il suo contenuto venga copiato nel registro delle istruzioni. L'MDR, a differenza del MAR, è collegato ai pin dati della RAM e non ai pin di indirizzamento e nel caso di un'istruzione di scrittura nell'MDR viene scritto anche il contenuto di ciò che si vuole scrivere nella RAM
4. Registro delle istruzioni: La parte finale della fase di fetch è la scrittura dell'istruzione nel registro delle istruzioni, da cui l'unità di controllo del processore ne copia il contenuto per la seconda fase del ciclo di istruzione.

Questi 4 sottofasi si verificano in tutti i processori indipendentemente dalla loro utilità, architettura e compatibilità binaria o da ciò che chiamiamo ISA.

Unità di controllo

L'unità di controllo è la parte più complessa che esiste in un processore e le sue funzioni sono le seguenti:

• Sono incaricati di coordinare il movimento e l'ordine in cui dei dati si muovono all'interno e all'esterno del processore, nonché le diverse subunità che ne sono responsabili.
• In generale, si considera che le unità della fase di cattura o Fetch fanno parte dell'hardware che chiamiamo unità di controllo e questo hardware è anche chiamato Front-End di un processore.
• Interpreta le istruzioni e le invia alle diverse unità di esecuzione a cui è collegato.
• Viene comunicato alle diverse ALU e unità di esecuzione del processore che agiscono
• È responsabile dell'acquisizione e della decodifica delle istruzioni, ma anche della scrittura dei risultati nei registri, nelle cache o nell'indirizzo corrispondente della RAM.

Ciò che fa l'unità di controllo è decodificare le istruzioni e lo fa perché ogni istruzione è in realtà una sorta di frase in cui il verbo va prima e poi l'oggetto diretto o l'oggetto su cui viene eseguita l'azione. Il soggetto finisce per essere eliminato in questo linguaggio interno dei computer dal fatto che si capisce che è il computer stesso che lo esegue, quindi ogni numero di bit è una frase in cui il primo 1 e lo 0 corrispondono all'azione e agli uno quello che viene dopo sono i dati o la posizione dei dati da manipolare.

La seconda fase: decodifica

Esistono diversi tipi di istruzioni e non tutte fanno lo stesso, quindi a seconda del tipo di istruzione dobbiamo sapere a quali unità di esecuzione verranno inviate e il modo più classico per farlo è attraverso quello che chiamiamo decoder , che prende ogni istruzione, la divide internamente in base al codice operativo o istruzione e ai dati o all'indirizzo di memoria in cui si trova.

Ad esempio nel diagramma sopra abbiamo il diagramma di un processore con solo 8 istruzioni, che possono essere codificate in soli 3 bit. Ciascuna delle istruzioni, una volta decodificata, viene inviata alle diverse unità di esecuzione che le risolveranno.

Questo ciclo di istruzioni è il più complesso di tutti e quello che definisce il tipo di architettura. A seconda che si disponga di un insieme ridotto o complesso di istruzioni, questo influenzerà la natura della centralina, a seconda del formato dell'istruzione o di quante vengono elaborate contemporaneamente la fase di decodifica e quindi la centralina avrà un natura diversa. altro.

Il modo più semplice per visualizzare ciò che accade è pensare alle istruzioni come treni che circolano attraverso una complessa rete ferroviaria e l'unità di controllo che le indirizza verso una stazione terminale, che è l'unità esecutiva che avrà il compito di risolvere l'istruzione.

Terza fase: esecuzione

L'ultima fase è l'esecuzione delle istruzioni, in questa fase le istruzioni vengono risolte, ma non tutti i tipi di istruzione vengono risolti allo stesso modo, poiché il modo di utilizzare l'hardware dipenderà dalla funzione di ciascuna di esse. loro, in generale abbiamo quattro tipi di istruzioni:

• Istruzioni movimento bit: In cui viene manipolato l'ordine dei bit che contengono i dati.
• Istruzioni aritmetiche: Dove vengono eseguite operazioni matematiche e logiche, queste vengono risolte nelle cosiddette ALU o unità logico-aritmetiche
• Istruzioni di salto: In cui viene modificato il valore successivo del contatore del programma, che consente di utilizzare il codice in modo ricorsivo.
• Istruzioni per la memoria: Sono con cui il processore legge e scrive le informazioni dalla memoria di sistema.

L'altro punto sono i formati delle istruzioni, poiché un'istruzione può essere applicata a un dato, scalare o più dati contemporaneamente, che conosciamo come SIMD. Per finire, a seconda del formato dei dati, ci sono diversi tipi di ALU per l'esecuzione di istruzioni aritmetiche, ad esempio abbiamo unità intere e in virgola mobile come unità differenziate oggi.

Una volta completata l'istruzione, il risultato viene scritto in uno specifico indirizzo di memoria e viene eseguita quella successiva. Alcune istruzioni non manipolano i valori della memoria ma piuttosto determinati registri. Pertanto, il registro del contatore di programma viene modificato dalle istruzioni di salto, se si desidera leggere o scrivere dati, vengono manipolati i registri MAR e MDR.