메이저 상태 사이클로 읽는 CPU 명령어 처리 흐름

명령어 처리는 Fetch에서 출발해 다시 Fetch로 돌아온다

메이저 상태 사이클(Major State Cycle)은 CPU가 명령어를 처리하며 거치는 상태 변화 주기다. 기계 사이클(Machine Cycle)이라는 이름으로도 부른다. Fetch, Indirect, Execute, Interrupt로 구성되며, 각 상태에서는 정해진 마이크로 연산 시퀀스가 수행된다.

모든 명령어는 Fetch Cycle에서 시작한다. 이후 주소 지정 방식과 인터럽트 요청 여부에 따라 다른 사이클로 전이한다. F(Fetch), R(Indirect) 플립플롭은 이 상태를 관리한다.

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Fetch Cycle에서 명령어와 주소 지정 방식을 읽는다

Fetch Cycle은 주기억장치의 명령어를 CPU의 IR(Instruction Register)로 가져와 해석하는 구간이다. 어떤 명령어이든 이 단계부터 시작한다.

단계	마이크로 연산	설명
T0	MAR ← PC	PC의 명령어 주소를 MAR에 전송
T1	MBR ← M[MAR], PC ← PC+1	메모리에서 명령어 읽기, PC 증가
T2	IR ← MBR[OP], I ← MBR[I]	OP 코드를 IR에, I 비트를 I 플립플롭에
T3	상태 전이	I 값에 따라 Execute 또는 Indirect로

I 비트가 0이면 직접 주소 지정이므로 Execute Cycle로 이동하며 F ← 1, R ← 0이 된다. I 비트가 1이면 간접 주소 지정이므로 Indirect Cycle로 전이하고 F ← 0, R ← 1이 된다.

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간접 주소는 실제 데이터 위치를 한 번 더 해석한다

Indirect Cycle은 명령어의 주소 필드(Operand 부)를 통해 실제 데이터 위치를 찾는 과정이다. 간접 주소 지정 방식일 때만 수행한다.

단계	마이크로 연산	설명
T0	MAR ← MBR[AD]	MBR의 주소 필드를 MAR에 전송
T1	MBR ← M[MAR]	메모리에서 실제 주소(또는 데이터) 읽기
T2	상태 전이	명령어 유형에 따라 전이

1 Cycle 명령은 Fetch Cycle로 돌아가며 F ← 0, R ← 0이 된다. 실행이 필요한 명령은 Execute Cycle로 넘어가고 F ← 1, R ← 0이 된다.

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Execute Cycle은 명령어별 마이크로 연산을 수행한다

Execute Cycle에서는 Fetch에서 해석한 명령을 실제로 실행한다. 수행하는 마이크로 연산은 명령어 유형에 따라 달라진다.

• AND: AC ← AC ∧ M[AD]
• ADD: AC ← AC + M[AD]
• LDA: AC ← M[AD]
• STA: M[AD] ← AC
• BUN: PC ← MBR[AD] (무조건 분기)
• BSA: 복귀 주소 저장 후 서브루틴 호출
• ISZ: M[AD] ← M[AD] + 1, if zero then PC ← PC + 1

실행이 정상적으로 끝나면 F ← 0, R ← 0으로 바뀌며 Fetch Cycle로 복귀한다. 플래그 레지스터 변화로 인터럽트가 발생하면 F ← 1, R ← 1 상태에서 Interrupt Cycle로 이동한다.

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인터럽트 요청은 현재 위치를 저장한 뒤 ISR로 넘긴다

Interrupt Cycle은 외부 인터럽트가 발생했을 때 현재 실행을 멈추고 인터럽트 서비스 루틴으로 분기하는 단계다.

단계	마이크로 연산	설명
T0	MBR[AD] ← PC, PC ← 0	복귀 주소(PC) 저장, PC를 0으로
T1	MAR ← PC, PC ← PC+1	PC 값을 MAR에, PC 증가
T2	M[MAR] ← MBR, IEN ← 0	MBR을 메모리에 저장, 인터럽트 비활성화
T3	Fetch Cycle로 전이	F ← 0, R ← 0

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IEN(Interrupt Enable) 플립플롭이 1이면 인터럽트를 허용한다. IEN이 0이면 인터럽트를 금지하며, 이는 인터럽트 처리 중 중첩을 막기 위한 상태다.

F와 R의 조합이 현재 처리 단계를 나타낸다

사이클	F	R	의미
Fetch	0	0	명령어 인출
Indirect	0	1	간접 주소 해석
Execute	1	0	명령어 실행
Interrupt	1	1	인터럽트 처리

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직접 주소 지정이고 인터럽트가 없을 때의 흐름은 다음과 같다.

Fetch → Execute → Fetch → Execute → ...

간접 주소 지정 명령을 처리한 뒤 인터럽트가 발생하면 다음 순서가 된다.

Fetch → Indirect → Execute → Interrupt → Fetch → ...