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Come funziona un microprocessore: il ciclo Fetch-Decode-Execute

Il battito cardiaco di ogni CPU

Un microprocessore esegue programmi ripetendo un ciclo fondamentale — il Ciclo di istruzione — miliardi di volte al secondo.

Il ciclo a 5 stadi (RISC classico / semplificato)

  1. Fetch
    • PC (Program Counter) contiene l'indirizzo dell'istruzione successiva.
    • L'indirizzo viene posto sull'address bus; la memoria restituisce la parola d'istruzione.
    • L'istruzione viene caricata in IR (Instruction Register).
    • PC incrementato (o aggiornato da branch).
  2. Decode
    • L'unità di controllo interpreta i bit di IR → opcode + operandi.
    • Determina: operazione ALU, accessi registro, accesso memoria, branch?
    • Genera segnali di controllo per il datapath.
  3. Execute
    • ALU esegue operazioni aritmetiche/logiche (ADD, AND, SHIFT…).
    • Calcolo indirizzo per load/store (base + offset).
    • Condizione branch valutata.
  4. Memory Access
    • Load: leggi dati da memoria → registro.
    • Store: scrivi registro → memoria.
    • Branch preso: PC aggiornato al target.
  5. Writeback
    • Risultato ALU o dati caricati scritti nel registro di destinazione.
    • Flag (Z, N, C, V) aggiornati.

Migliorie moderne

Interruttori ed eccezioni

Esterni (IRQ), interni (divisione per zero, page fault), software (syscall) — salva PC/FLAGS, salta al gestore, torna via IRET/ERET.

Analogia

Fetch = leggi passo ricetta. Decode = capisci istruzione. Execute = taglia/cuoci. Memory = prendi/conserva ingredienti. Writeback = metti risultato in ciotola. Ripeti.

Da 4,77 MHz 8088 a 5 GHz Core i9 — stesso ciclo, parallelismo esponenzialmente maggiore.

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