명령어 사이클 (Instruction Cycle)

명령어 사이클(Instruction Cycle)은 중앙처리장치(CPU, Central Processing Unit)가 명령어 하나를 기억장치에서 가져와 해석하고 실행하기까지 반복하는 기본 순환 과정을 말한다. 명령어 사이클은 인출 사이클(fetch cycle)과 실행 사이클(execution cycle)을 기본으로 하며, 필요에 따라 간접 사이클(indirect cycle)과 인터럽트 사이클(interrupt cycle)이 끼어든다. 컴퓨터가 전원이 켜진 순간부터 꺼질 때까지 하는 일은 결국 이 사이클의 무한 반복이다.

사이클을 움직이는 레지스터들

명령어 사이클을 설명하려면 몇 가지 레지스터(register)의 역할을 먼저 알아야 한다. 프로그램 카운터(PC, Program Counter)는 다음에 인출할 명령어의 주소를 담는다. 명령어 레지스터(IR, Instruction Register)는 방금 인출한 명령어를 담아 해독의 대상이 된다. 메모리 주소 레지스터(MAR, Memory Address Register)는 접근할 메모리 주소를, 메모리 버퍼 레지스터(MBR, Memory Buffer Register)는 메모리에서 읽었거나 메모리에 쓸 데이터를 담는다. CPU와 기억장치 사이의 모든 데이터 이동은 MAR과 MBR을 통로로 이루어진다.

인출 사이클

인출 사이클은 다음 명령어를 기억장치에서 CPU로 가져오는 단계다. 마이크로 연산 수준으로 나누면 다음과 같이 진행된다.

1. PC의 값을 MAR로 복사한다.
2. MAR이 가리키는 주소의 명령어를 메모리에서 읽어 MBR에 담고, 그동안 PC를 다음 명령어 주소로 증가시킨다.
3. MBR의 명령어를 IR로 옮긴다.

인출이 끝나면 IR에는 실행할 명령어가, PC에는 그다음 명령어의 주소가 들어 있다. 이어서 제어장치가 IR의 연산 코드(opcode)를 해독해 어떤 동작을 할지 결정한다.

실행 사이클과 간접 사이클

실행 사이클은 해독된 명령어의 실제 동작을 수행하는 단계로, 명령어 종류에 따라 하는 일이 다르다. 데이터 전송 명령어는 레지스터와 메모리 사이에서 값을 옮기고, 산술 논리 명령어는 산술논리연산장치(ALU, Arithmetic Logic Unit)로 연산을 수행하며, 분기 명령어는 PC 값을 바꾸어 실행 흐름을 옮긴다.

간접 사이클은 명령어가 간접 주소 지정(indirect addressing)을 쓸 때 실행 전에 추가되는 단계다. 명령어의 주소 필드가 데이터의 주소가 아니라 데이터의 주소가 저장된 곳의 주소를 담고 있으면, 메모리를 한 번 더 읽어 실제 주소인 유효 주소(effective address)를 얻어야 한다. 즉 인출, (필요시) 간접, 실행의 순서로 진행된다.