컴퓨터 명령어 사이클의 4가지 단계 분석

문서 내 토픽

1. 명령어 인출 단계(Fetch)

프로그램 카운터(PC)에 기록된 주소값을 바탕으로 주기억장치에서 명령어를 찾아 CPU 내부로 불러들이는 단계입니다. 메모리 주소 레지스터(MAR)가 PC의 값을 전달받아 메모리 공간에서 명령어를 읽고, 메모리 데이터 레지스터(MDR)를 통해 CPU 내부로 전달된 후 명령어 레지스터(IR)에 저장됩니다. 이 과정은 CPU와 메모리 사이의 데이터 전달을 확인하고 이후 단계를 준비하는 역할을 합니다.
2. 명령어 해독 단계(Decode)

제어 유닛이 명령어 레지스터(IR)에 보관된 명령어를 분석하여 연산 코드(Opcode)와 주소 정보를 파악하는 단계입니다. CPU가 수행해야 할 동작을 결정하고 필요한 자원을 미리 할당합니다. 산술 연산이면 ALU를 사용하고, 데이터 이동이면 메모리와 버스를 준비합니다. CPU 내부 구조와 명령어 집합 아키텍처에 따라 복잡성이 달라집니다.
3. 실행 단계(Execute)

해독된 명령어에 따라 산술 연산, 논리 연산, 데이터 이동, 분기 등의 작업이 실제로 수행되는 단계입니다. ALU와 다양한 레지스터가 동원되어 연산을 처리합니다. 덧셈 명령의 경우 ALU가 두 피연산자를 더해 결과를 내부 레지스터에 임시 저장하고, 조건 분기 명령이면 프로그램 카운터(PC)의 값을 변경하여 다음 실행 위치를 조정합니다.
4. 저장 단계(Store)

실행이 끝난 후 결과물을 어디에 어떻게 보관할지를 담당하는 단계입니다. 결과값이 CPU 내부 레지스터에 보관되거나 메모리에 직접 적재될 수 있습니다. 저장 과정이 완료되어야 전체 명령어 사이클이 마무리되고, CPU는 프로그램 카운터를 업데이트하여 다음 명령어 인출 단계로 진행합니다.

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1. 명령어 인출 단계(Fetch)

명령어 인출 단계는 CPU 동작의 첫 번째 단계로서 프로그램 카운터가 가리키는 메모리 주소에서 다음 실행할 명령어를 가져오는 과정입니다. 이 단계는 컴퓨터 아키텍처의 기본이 되며, 효율적인 인출 메커니즘은 전체 시스템 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 캐시 메모리의 활용과 파이프라인 기술을 통해 인출 단계의 성능을 최적화할 수 있으며, 이는 현대 프로세서 설계에서 매우 중요한 고려사항입니다. 명령어 인출의 지연을 최소화하는 것이 전체 처리량 향상의 핵심입니다.
2. 명령어 해독 단계(Decode)

명령어 해독 단계는 인출된 명령어의 비트 패턴을 해석하여 제어 신호로 변환하는 중요한 과정입니다. 이 단계에서 명령어의 연산 코드, 피연산자 주소 등이 분석되어 실행 단계에서 필요한 정보가 준비됩니다. 복잡한 명령어 집합을 가진 프로세서에서는 해독 단계가 병목이 될 수 있으므로, 효율적인 해독 로직 설계가 필수적입니다. 마이크로코드나 하드와이어드 제어 방식의 선택도 해독 단계의 성능과 복잡도에 영향을 줍니다.
3. 실행 단계(Execute)

실행 단계는 해독된 명령어를 실제로 수행하는 단계로, ALU와 같은 연산 장치가 주요 역할을 합니다. 산술 연산, 논리 연산, 메모리 접근 등 다양한 작업이 이 단계에서 처리되며, 명령어의 종류에 따라 실행 시간이 달라질 수 있습니다. 병렬 처리와 슈퍼스칼라 아키텍처를 통해 여러 명령어를 동시에 실행할 수 있으며, 이는 전체 성능 향상에 크게 기여합니다. 실행 단계의 최적화는 프로세서 성능 개선의 핵심 요소입니다.
4. 저장 단계(Store)

저장 단계는 실행 결과를 레지스터나 메모리에 기록하는 최종 단계로, 명령어 실행의 완료를 의미합니다. 이 단계에서 데이터 일관성과 메모리 접근 순서가 중요하며, 특히 멀티코어 환경에서는 캐시 일관성 프로토콜이 필수적입니다. 저장 단계의 지연은 다음 명령어의 실행을 지연시킬 수 있으므로, 효율적인 메모리 쓰기 메커니즘이 필요합니다. 라이트 버퍼와 같은 기술을 통해 저장 단계의 성능을 개선할 수 있습니다.

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