왜 명령어 실행을 여러 사이클로 나눌까

11편에서 CPU 내부가 레지스터·ALU·제어장치로 이뤄져 있고, 명령어 하나가 여러 마이크로오퍼레이션(micro-operation)의 순차 실행으로 완성된다는 것을 배웠다. 그런데 모든 명령어가 똑같은 마이크로오퍼레이션 묶음을 쓰는 것은 아니다. 어떤 명령어는 메모리에서 값을 딱 한 번만 읽으면 되지만, 어떤 명령어는 “주소가 적힌 곳에 또 다른 주소가 있는” 간접 참조를 거쳐야 한다. 이런 차이를 체계적으로 다루기 위해 명령어 실행 전체를 인출(Fetch) → 간접(Indirect) → 실행(Execute) → 인터럽트(Interrupt)라는 네 개의 사이클로 나눈다.

명령 사이클의 전체 흐름

쉽게 말하면: CPU는 “명령어를 가져오고 → 필요하면 주소를 한 번 더 찾아가고 → 실제로 계산하고 → 인터럽트가 있으면 처리하고” 이 네 단계를 계속 반복한다.

명령 사이클(instruction cycle)이란 CPU가 명령어 하나를 인출해서 실행을 완료하기까지 거치는 전체 과정이다. 매 사이클마다 아래 순서를 따른다.

이 그림에서 볼 수 있듯, 간접 사이클과 인터럽트 사이클은 매번 실행되는 것이 아니라 조건에 따라 선택적으로 실행된다. 간접 사이클은 해당 명령어가 간접 주소지정 방식(13편에서 자세히 다룬다)을 쓸 때만, 인터럽트 사이클은 실행 사이클이 끝난 시점에 인터럽트 요청이 대기 중일 때만 실행된다.

인출 사이클: 명령어를 가져온다

쉽게 말하면: 인출 사이클은 PC가 가리키는 메모리 위치에서 명령어를 읽어 IR에 담고, 다음 명령어를 위해 PC를 하나 증가시키는 단계다.

인출 사이클(fetch cycle)은 모든 명령어가 예외 없이 거치는 첫 단계다. 마이크로오퍼레이션으로 펼치면 다음과 같다.

간접 사이클: 주소 속의 주소를 다시 찾아간다

쉽게 말하면: 명령어의 주소 필드가 “진짜 데이터의 위치”가 아니라 “진짜 주소가 적힌 또 다른 메모리 칸”을 가리킬 때, 그 칸까지 한 번 더 찾아가는 단계다.

명령어를 해독한 결과 간접 주소지정 방식(indirect addressing mode)이라는 것을 알게 되면, 간접 사이클을 거쳐야 한다. IR에 담긴 주소 필드는 “실제 데이터의 주소”가 아니라 “실제 데이터의 주소가 저장된 위치”를 가리키기 때문이다.

이 세 단계를 거치고 나면 IR의 주소 필드는 이제 “한 번 더 찾아가지 않아도 되는” 최종 유효주소를 담게 된다. 13편에서 이 유효주소 계산 과정을 다른 주소지정 방식들과 나란히 비교한다.

실행 사이클: 명령어가 실제로 수행된다

쉽게 말하면: 실행 사이클은 명령어의 오퍼레이션 코드(연산 종류)에 따라 실제 덧셈·이동·저장 등의 동작이 일어나는 단계로, 명령어마다 내용이 다르다.

실행 사이클(execute cycle)은 명령어 종류(더하기, 빼기, 저장, 분기 등)에 따라 완전히 다른 마이크로오퍼레이션을 수행하므로 정형화된 표 하나로 나타낼 수 없다. 예를 들어 “메모리 값을 누산기에 더하라(ADD)“는 명령어의 실행 사이클은 11편에서 이미 살펴본 다음 단계와 같다.

반면 “분기하라(BRANCH)“는 명령어라면 PC ← IR(주소부)처럼 훨씬 단순한 마이크로오퍼레이션 한 줄로 끝날 수도 있다. 실행 사이클의 길이와 내용은 오퍼레이션 코드(opcode)에 따라 달라진다는 점이 인출·간접·인터럽트 사이클과의 결정적 차이다.

인터럽트 사이클: 하던 일을 잠시 멈추고 급한 일을 처리한다

쉽게 말하면: 인터럽트는 “지금 하던 작업을 잠깐 멈추고, 더 급한 요청을 처리한 뒤, 원래 하던 자리로 돌아오는” CPU의 대응 방식이다.

인터럽트(interrupt)란 CPU가 현재 실행 중인 프로그램 흐름과 무관하게, 입출력 장치나 예외 상황이 “지금 나를 처리해 달라”고 보내는 신호다. CPU는 매 명령 사이클의 실행 사이클이 끝날 때마다 인터럽트 요청이 있는지 확인한다.

인터럽트가 발생하면 CPU는 다음 순서로 대응한다.

인터럽트의 종류

인터럽트 우선순위: 동시에 여러 요청이 오면

쉽게 말하면: 인터럽트가 동시에 여러 개 들어오면, 미리 정해진 우선순위가 높은 것부터 처리한다.

여러 장치가 동시에 인터럽트를 요청하면 CPU는 우선순위(priority)가 가장 높은 것부터 처리해야 한다. 우선순위를 정하는 대표적인 두 가지 방식이 있다.

1. 폴링(polling) 방식: 소프트웨어가 정해진 순서대로 각 장치의 상태 레지스터를 하나씩 검사해, 어느 장치가 인터럽트를 요청했는지 찾아낸다. 회로가 단순하지만 검사 순서가 곧 우선순위이므로 앞쪽 장치일수록 응답이 빠르다.
2. 데이지 체인(daisy chain) 방식: 여러 장치를 우선순위 순서로 직렬 연결해, 인터럽트 확인 신호가 우선순위가 높은 장치부터 순서대로 통과하게 만든 하드웨어 방식이다. 신호가 먼저 도달하는 장치가 먼저 처리된다.

또한 인터럽트 처리 중에 더 높은 우선순위의 인터럽트가 새로 발생하면 현재 처리 중인 인터럽트 서비스 루틴을 다시 중단하고 그 인터럽트를 먼저 처리할 수 있는데, 이를 다중 인터럽트(nested interrupt, 중첩 인터럽트) 처리라 한다. 반대로 낮은 우선순위의 인터럽트는 현재 처리가 끝날 때까지 대기해야 한다.

자주 틀리는 점

• 간접 사이클을 모든 명령어가 항상 거친다고 착각하는 경우가 많다. 간접 사이클은 간접 주소지정 방식을 쓰는 명령어에서만 발생한다.
• 인터럽트와 DMA(Direct Memory Access)를 같은 개념으로 혼동하는 경우가 있다. 인터럽트는 “CPU의 개입이 필요한 요청”이고, DMA는 오히려 “CPU 개입 없이 메모리에 직접 접근하는 방식”이다. 이 둘의 비교는 18편에서 자세히 다룬다.
• 인터럽트 처리 시 PC 값을 저장하지 않으면 ISR 실행 후 원래 프로그램으로 복귀할 수 없다는 점, 즉 상태 저장이 인터럽트 사이클의 필수 단계라는 점을 놓치기 쉽다.

핵심 정리

• 명령 사이클은 인출→(간접)→실행→(인터럽트)의 순서로 진행되며, 간접·인터럽트 사이클은 조건부로만 실행된다.
• 인출 사이클은 MAR ← PC, MBR ← M[MAR](+PC ← PC+1), IR ← MBR의 세 단계로 모든 명령어에 동일하게 적용된다.
• 간접 사이클은 IR의 주소부가 가리키는 곳을 한 번 더 읽어 진짜 유효주소로 갱신하는 단계다.
• 실행 사이클은 오퍼레이션 코드에 따라 마이크로오퍼레이션의 내용과 길이가 달라진다.
• 인터럽트 사이클은 실행 사이클 종료 직후에만 검사하며, 현재 PC를 저장하고 ISR로 이동했다가 처리 후 원래 위치로 복귀한다. 우선순위는 폴링 또는 데이지 체인 방식으로 결정한다.

마무리 복습

참고 자료

• 국가평생교육진흥원 독학학위제 - 출제방향/수준 
• 국가평생교육진흥원 독학학위제 - 과목별 평가영역