A CPU e o ciclo de instrução

Uma máquina que segue instruções

Imagine um cozinheiro extremamente rápido e obediente. Ele olha a receita (busca), lê a próxima etapa (decodifica), executa a ação (executa), e volta para a próxima linha. Sem criatividade, sem julgamento — só instrução após instrução, bilhões de vezes por segundo.

Esse é o ciclo buscar–decodificar–executar (BDE). O Contador de Programa (PC) aponta para a próxima instrução. Após cada execução, o PC avança. Ao encontrar um HALT (ou equivalente), a CPU para.

Simule o ciclo da CPU

Use Próximo passo para avançar fase a fase (BUSCAR → DECODIFICAR → EXECUTAR) e ver exatamente o que muda em cada momento. Ou clique Executar tudo para a animação automática.

O que acontece em cada fase

• BUSCAR: a unidade de controle lê o endereço no PC e carrega a instrução da memória para o registrador de instrução (IR). PC é incrementado.
• DECODIFICAR: o decodificador identifica a operação (opcode) e os operandos. Sinais de controle são preparados.
• EXECUTAR: a ULA (Unidade Lógica e Aritmética) realiza o cálculo ou a memória é lida/escrita.

A mini ISA do simulador

# Mini ISA (Instruction Set Architecture)
LOAD  R1, 10   # R1 ← 10 (carrega valor imediato)
LOAD  R2, 4    # R2 ← 4
ADD   R1, R2   # R1 ← R1 + R2  (ALU)
PRINT R1        # saída: 14
SUB   R1, R2   # R1 ← R1 − R2  (ALU)
PRINT R1        # saída: 10
HALT             # fim

Pipeline: fazer várias fases ao mesmo tempo

CPUs modernas sobrepõem as fases de instruções diferentes — enquanto uma está na fase EXECUTAR, a próxima já está sendo DECODIFICADA e a seguinte está sendo BUSCADA:

# Sem pipeline: uma instrução por vez
Ciclo 1: [BUSCAR I1] [-------] [--------] [--------]
Ciclo 2: [-------]  [DEC. I1] [--------] [--------]
Ciclo 3: [-------]  [-------] [EXEC. I1] [--------]
Ciclo 4: [BUSCAR I2] [-------] [--------] [--------]

# Com pipeline: sobreposição de fases
Ciclo 1: [BUSCAR I1] [-------]  [--------]
Ciclo 2: [BUSCAR I2] [DEC. I1] [--------]
Ciclo 3: [BUSCAR I3] [DEC. I2] [EXEC. I1]
Ciclo 4: [BUSCAR I4] [DEC. I3] [EXEC. I2]  # 4× mais throughput

Implemente sua própria CPU virtual

Mini projeto: implemente as funções fetch(), decode() e execute() em JavaScript, onde o programa é um array de strings como ["LOAD R1 5", "LOAD R2 3", "ADD R1 R2", "HALT"].

Projeto principal: adicione suporte a saltos (JUMP addr e JZ addr) para criar loops e condicionais. Escreva um programa que soma os números de 1 a 10.

Desafio extra: adicione uma pilha de chamadas (CALL e RET) para implementar funções recursivas.

Teste sua intuição

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