El Ciclo de Instrucción del CPU: Fases, Formatos y Modos de Direccionamiento

El Ciclo de Instrucción del Procesador (CPU)

El ciclo de instrucción es el proceso fundamental que sigue una Unidad Central de Procesamiento (CPU) para ejecutar una instrucción. Este ciclo se divide en varias etapas clave:

Etapa 1. Carga, Búsqueda o Lectura (Fetch)

• La Unidad de Control (UC) envía a la memoria principal la dirección de la instrucción que se va a ejecutar. Esta dirección está almacenada en el Contador de Programa (PC).
• A continuación, la UC activa las señales de control para que la memoria RAM entregue dicha instrucción.
• El contenido de esa dirección de memoria se carga y almacena en el Registro de Instrucción (IR).

Etapa 2. Decodificación

La UC recibe la instrucción desde el IR y analiza su código de operación (opcode) para determinar qué acción debe realizar. Si la instrucción requiere datos, la UC lee los operandos desde la memoria principal, enviando su dirección y activando las señales de control correspondientes.

Etapa 3. Ejecución

La Unidad Aritmético-Lógica (ALU) realiza la operación especificada (como una suma o una comparación lógica) sobre los operandos, siempre bajo la supervisión de la UC. Si la operación genera un resultado, este se almacena en un registro de la CPU o se escribe en la memoria RAM.

Etapa 4. Incremento del Contador de Programa (PC)

El Contador de Programa (PC), también conocido como Puntero de Instrucción (IP), se actualiza para apuntar a la dirección de memoria de la siguiente instrucción a ejecutar. Es importante destacar que existen instrucciones, como las de bifurcación (saltos), que pueden modificar directamente el contenido del PC para alterar el flujo secuencial del programa.

Formatos de Instrucción y Modos de Direccionamiento

Formato de Instrucción

El formato de instrucción es la manera en que se representa una instrucción para ser almacenada en la memoria. Este formato especifica el significado de cada uno de los bits que la componen.

• Longitud del formato: Es el número total de bits que ocupa la instrucción.
• Campos: Para simplificar el proceso de decodificación, la instrucción se divide en varios campos, donde cada uno contiene un tipo de información específico (como el código de operación y los operandos).

Tipos de Instrucciones

Existen muchos tipos de instrucciones según la operación que realizan. Cada instrucción se identifica con un mnemotécnico (por ejemplo, move, store, load). Las categorías principales son:

• Transferencia de información
• Aritmético-lógicas
• Desplazamientos
• Transferencia de control
• Saltos condicionales
• Bifurcaciones
• Llamadas y retorno de procedimientos

Modos de Direccionamiento

El direccionamiento es la operación que realiza el procesador para localizar los operandos de una instrucción. Una instrucción se compone típicamente de:

• Código de operación (opcode): Indica la operación a realizar (suma, resta, multiplicación, etc.).
• Operando: Es el dato que será procesado o la dirección donde se encuentra.

El acceso se realiza a un conjunto de biestables, donde 8 bits suelen conformar un byte, carácter o palabra.

Tipos de Direccionamiento

Direccionamiento Inmediato

En la propia instrucción está incluido directamente el operando o dato a utilizar.

Direccionamiento Directo

En la instrucción, el campo del operando contiene la dirección en memoria donde se encuentra el dato.

Direccionamiento Indirecto

El campo del operando contiene una dirección de memoria, la cual a su vez apunta a la dirección efectiva del operando.

Direccionamiento Relativo

La dirección del dato que interviene en la instrucción se obtiene sumando una cantidad fija (desplazamiento) a la dirección de la propia instrucción, que está contenida en un registro especial como el Contador de Programa.