명령어 사이클

명령어 집합은 CPU가 이해하는 명령어의 목록입니다. 메모리에 명령어가 준비되었으니, 이제 CPU가 이를 어떻게 실행하는지 살펴봅시다.

CPU가 명령어를 처리하려면 무엇을 해야 할까요? 메모리에서 명령어를 가져오고 (Fetch), 그 의미를 해석하고(Decode), 해석한 대로 실행(Execute)합니다. 이 세 단계를 끊임없이 반복하는 것이 CPU가 하는 일의 전부입니다.

Fetch

메모리에는 명령어가 여러 개 저장되어 있습니다. CPU는 어디서부터 가져와야 할까요?

책을 읽을 때 손가락으로 줄을 짚듯이, CPU에도 지금 어디를 읽고 있는지 가리키는 장치가 있습니다. Program Counter(PC)라는 레지스터입니다. CPU는 PC가 가리키는 주소에서 명령어를 읽어온 뒤, PC를 다음 주소로 한 칸 옮깁니다.

보통 PC는 한 칸씩 순서대로 증가하지만, 명령어 집합의 JUMP와 JZ 명령어는 PC를 직접 바꿔 반복문이나 조건 분기를 가능하게 합니다.

주소	이진수	어셈블리
0	01100001	LDI R0, 1
1	01100110	LDI R1, 2
2	00010001	ADD R0, R1
3	10010101	STORE 5
4	11000010	JUMP 2
5	00000000	데이터

PC0

다음JUMPJZ

PC + 1

1. “다음”을 선택하고 “PC + 1”을 눌러 PC를 하나씩 증가시켜 봅시다.
2. JUMP를 선택하고 목적지를 2로 설정한 뒤 실행해봅시다. PC가 주소 2로 이동합니다.
3. JZ를 선택하고 Z 플래그를 0으로 두고 실행해봅시다. 아무 일도 일어나지 않습니다. Z 플래그를 1로 바꾸고 다시 실행해봅시다.

Decode

가져온 명령어는 01100011 같은 이진수일 뿐입니다. CPU 안의 제어 장치가 이 이진수를 해석해, 레지스터와 메모리, ALU 같은 각 부품에 무엇을 할지 알리는 신호를 보냅니다.

Execute

제어 장치가 신호를 보내면 실제 연산이 수행됩니다. 예를 들어 ADD R0, R1이라면, 제어 장치가 ALU에 덧셈 신호를 보내고 MUX가 R0과 R1의 값을 선택합니다. ALU가 두 값을 더한 결과가 R0에 저장되고 Zero Flag가 갱신됩니다. 연산 명령어(ADD, SUB 등)는 ALU에서, 데이터 이동 명령어(LOAD, STORE 등)는 레지스터와 메모리 사이에서 실행됩니다. 실행이 끝나면 PC가 다음 주소로 증가하고, 다시 Fetch로 돌아갑니다.

이 부품들을 하나로 조립한 폰 노이만 시뮬레이터에서 Fetch-Decode-Execute 사이클을 한 단계씩 실행해봅시다.

마무리

가져오고, 해석하고, 실행하고, 다시 가져옵니다. CPU는 전원이 켜져 있는 동안 이 Fetch-Decode-Execute 사이클을 끝없이 반복합니다. 웹을 검색하든 게임을 하든, CPU 입장에서는 PC가 가리키는 명령어를 하나씩 처리하는 같은 사이클이 반복될 뿐입니다.

다음 글에서는 이 사이클의 한가운데에서 이진수 명령어를 해석해 각 부품에 신호를 보내는 제어 장치를 자세히 들여다봅시다.