⭐ 명령어 수행 사이클

소프트웨어는 명령어 집합이라 하였는데, 그럼 어떻게 하나의 명령어가 메인 메모리로부터 cpu 코어 안으로 전달되어 실행되는 걸까? 컴퓨터 내부에서 명령어 하나가 실행되기까지의 과정을 알아보도록 하자.

명령어 하나가 실행되기까지의 과정을 명령어 수행 사이클이라 하고 프로그램이 실행되는 동안 명령어 수행 사이클은 계속해서 반복된다. 명령어 수행 사이클의 단계는 다음과 같이 이루어져 있다.

• 명령어 인출 단계: 읽어올 명령어가 저장된 메모리의 주소가 담긴 프로그램 카운터(PC)에서 해당 주소를 메모리 주소 레지스터(MAR)로 전달하면 전달받은 메모리 주소로 접근하여 해당 메모리 주소로 저장된 명령어를 메모리 버퍼 레지스터(MBR)로 가져온 다음, 명령어를 명령어 레지스터(IR)로 전달한다. 프로그램 카운터의 값은 기존의 값에서 1이 더해진다.

• 명령어 해독 단계: IR에 저장된 명령어를 제어 장치로 가져와 명령어의 연산 코드를 바탕으로 해독을 진행한다. 만약 피연산자 값(operand)를 인출해야하는 명령어이면 간접사이클로 넘어가고 operand를 인출할 필요가 없는 명령어이면 바로 실행 사이클로 넘어간다.

• 간접 사이클: 제어 장치가 전달받은 명령어에서 주소를 MAR로 전달한 다음, 해당 주소의 메모리에 저장된 operand를 MBR에 전달한 다음, 누산기 레지스터에 저장한다.

• 실행 사이클: 명령어 해독 단계에서 명령어를 해독하여 나온 연산 제어 신호를 연산 장치에 보내 누산기 레지스터의 저장된 값을 연산 후 다시 누산기 레지스터에 저장한다. 연산이 끝나면 인터럽트 요청 신호 상태 레지스터를 검사하여 인터럽트 요청을 받을 수 있는 상태인지 확인한다.

• ⚡ 인터럽트 사이클: 실행 사이클에서 인터럽트 요청을 받을 수 있는 상태이고 실제로 인터럽트 요청 신호가 발생했다면 인터럽트 사이클이 진행된다. 우선, 다음에 실행될 예정이던 명령어의 주소를 메모리의 구조(코드 영역, 데이터 영역, 스택 영역, 힙 영역) 중 스택 영역에 저장해두어 인터럽트 사이클이 종료되면 다시 복귀할 수 있도록 하고, 인터럽트가 발생하면 데이터 버스를 통해 전달되는 인터럽트 벡터를 바탕으로, 해당 인터럽트 발생 시 실행하도록 코딩된 명령어, 즉 인터럽트 서비스 루틴이 시작되는 메모리 주소를 프로그램 카운터에 전달하여 인터럽트 서비스 루틴을 인출하고 실행한다. 인터럽트의 종류는 여러가지가 있으며, 응용프로그램 내에서의 이벤트와는 구분된다. 인터럽트와 인터럽트 서비스 루틴에 대해선 운영체제를 다룰 때 더 자세히 알아보도록 하겠다.