La función básica de una computadora es ejecutar programas, el cual esta compuesto de un conjunto de instrucciones almacenadas en memoria. La CPU es la encargada de ejecutar las instrucciones especificas del programa. Para comprender esta función debe considerarse el detalle del proceso de ejecución del programa. Desde el punto de vista más simple, se considera el procesamiento de una instrucción en dos etapas: la CPU lee (busca, trae; fetch en inglés) la instrucción de memoria y la ejecuta. La ejecución del programa consiste en la repetición del proceso de traer y ejecutar la instrucción.

 

Buscar una instrucción es una operación común a todas las instrucciones, y consiste en la lectura de la instrucción de una localidad de memoria. La ejecución de la instrucción puede suponer varias operaciones y depende de la naturaleza de la instrucción.

 

El procesamiento de una instrucción se denomina ciclo de instrucción. Se representa en la figura 4. Los dos pasos se denotan como ciclo de búsqueda y ciclo de ejecución. La ejecución del programa se detiene sólo si la computadora se desconecta, se produce algún error o se encuentra una instrucción que detiene la computadora.

 

 

Figura 4. Ciclo básico de instrucción

 

Al principio de cada ciclo de instrucción, la CPU busca o trae una instrucción de memoria. En una CPU típica, se utiliza un registro llamado contador de programa (PC program counter) para apuntar a la instrucción que debe traerse a continuación. A no ser que se indique otra cosa, la CPU siempre incrementa el PC después de traer una instrucción para determinar de dónde traer la siguiente instrucción de la secuencia (siguiente dirección de memoria).

 

La instrucción traída se almacena en un registro de la CPU conocido como registro de instrucción (IR instruction register). La CPU interpreta la instrucción y realiza la acción requerida. En general, ésta puede ser de cuatro tipos:

 

·        CPU - Memoria: Deben transferirse datos desde la CPU a la memoria o viceversa.

·        CPU - E/S: Deben transferirse datos a o desde el exterior mediante el módulo de E/S.

·        Procesamiento de datos: La CPU realizará alguna operación aritmética o lógica con los datos.

·        Control: Una instrucción puede especificar que la secuencia de ejecución se altere por lo que la CPU debe poner el contador de programa al valor adecuado.

 

El ciclo de ejecución de una instrucción puede ocasionar más de una referencia a memoria, o en su lugar, puede especificar una operación de E/S. Con estas consideraciones en mente, la figura 5 proporciona una visión más detallada el ciclo de instrucción. Para un ciclo de instrucción dado, algunos estados pueden no darse y otros pueden visitarse más de una vez. Los estados se describen a continuación:

 

Cálculo de la dirección de instrucción (iac, instruction address calculation): Determina la dirección de la siguiente instrucción a ejecutar.

Búsqueda de instrucción (if, instruction fetch): La CPU lee la instrucción desde su posición de memoria.

Decodificación de la operación indicada en la instrucción (iod, instruction operation decoding): Analiza la instrucción para determinar el tipo de operación a realizar y el (los) operando(s) a utilizar.

Cálculo de la dirección del operando (oac, operand address calculation): Si la instrucción implica una referencia a un operando en memoria o disponible mediante E/S, determina la dirección del operando.

Búsqueda de operando (of, operand fetch): Trae el operando desde la memoria o se lee desde el dispositivo de E/S.

Operación con los datos (do, data operation): realiza la operación indicada en la instrucción.

Almacenamiento de operando (os, operand store): Escribe el resultado en memoria o lo saca a través de un dispositivo de E/S.

 

Figura 5. Diagrama de estado del ciclo de instrucción

 

Los estados de la parte superior de la figura 5 ocasionan intercambio entre la CPU y la memoria o módulo E/S. Los estados inferiores sólo ocasionan operaciones internas en la CPU. El estado oac aparece dos veces, porque una instrucción puede ocasionar una lectura, una escritura o ambas. Obsérvese además la posibilidad de múltiples operandos y resultados puesto que se necesitan en algunas instrucciones.