Prevzem ukaza (Fetch)

CPE (centralna procesna enota) izvaja program tako, da neprestano ponavlja cikel ukaza: fetch (pridobi) → decode (dekodira) → execute (izvede). Prevzem ukaza je prvi korak tega cikla.

V tem koraku procesor prebere naslednji ukaz iz pomnilnika (RAM ali predpomnilnik) in ga shrani v notranji register, kjer čaka na dekodiranje. Brez tega koraka procesor ne bi vedel, kaj sploh mora narediti.

Zaporedno prinašanje ukazov in podatkov iz pomnilnika v CPE je omogočeno z uporabo specialnega registra, tj. programskega števca (ang. Program Counter ali PC). Ta register vsebuje vsaka CPE.

Programski števec kaže na trenutni naslov v pomnilniku, iz katerega mora procesor prebrati ukaz. Določa torej lokacijo naslednjega ukaza v pomnilniku.

Program Counter (PC)

Register, ki hrani pomnilniški naslov naslednjega ukaza za prevzem. Po vsakem prevzemu se samodejno poveča.

Instruction Register (IR)

Register, v katerega se shrani ukaz, ki ga je CPE pravkar prebrala iz pomnilnika.

MAR (Memory Address Register)

Register, ki hrani naslov pomnilniške celice, ki jo CPE trenutno bere ali piše.

Cikel prevzema ukaza poteka v naslednjih korakih:

1. 1

   Branje naslova iz PC

   Vrednost programskega števca (naslov naslednjega ukaza) se prenese v MAR (Memory Address Register).

2. 2

   Branje ukaza iz pomnilnika

   Pomnilnik vrne ukaz na naslovu, ki ga kaže MAR. Ukaz se shrani v MBR (Memory Buffer Register).

3. 3

   Prenos v Instruction Register

   Ukaz iz MBR se prenese v IR, kjer čaka na fazo decode.

4. 4

   Povečava PC

   PC se poveča za velikost ukaza (npr. +4 bajte pri 32-bitnih ukazih), da kaže na naslednji ukaz.

Po uspešnem prevzemu se ukaz hrani v Instruction Register (IR). To je začasno shranjevalno mesto znotraj procesorja; ukaz v IR čaka, dokler ga krmilna enota ne dekodira.

IR je neposredno povezan s krmilno enoto (Control Unit), ki iz bitnega vzorca v IR razbere, kaj mora procesor narediti: katero operacijo izvesti, katere registre brati in kako nasloviti operande.

Normalni tok prevzema ukazov se lahko prekine z prekinitvami (ang. interrupts). Ko zunanja naprava ali notranje stanje zahteva takojšnjo obravnavo, procesor:

1. 1Shrani trenutno vrednost PC in registrov (kontekst) v pomnilnik ali sklad.
2. 2PC nastavi na naslov rutine za obdelavo prekinitve (interrupt handler).
3. 3Izvede prekinitveno rutino.
4. 4Obnovi shranjeni kontekst in nadaljuje z normalnim izvajanjem.

Kontekstno preklapljanje se zgodi, ko operacijski sistem preklopi med različnimi procesi; pri tem mora shraniti celotno stanje (vrednosti vseh registrov, vključno s PC) tekočega procesa in naložiti stanje naslednjega.

Prevzem ukaza je temelj vsega, kar procesor počne. Brez natančnega mehanizma za pridobivanje ukazov iz pomnilnika, tj. brez programskega števca, IR in pravilnega upravljanja s prekinitvami, celotno izvajanje programa ne bi bilo možno.

V modernih procesorjih je ta faza optimizirana z instruction prefetching (vnaprejšnjim pridobivanjem ukazov) in L1 predpomnilniki za ukaze, kar drastično zmanjša latenco prevzema.