[컴퓨터공학] 컴퓨터 개념 기초 | CPU가 명령어를 실행하는 방법 - Fetch, Decode, Execute 사이클 완전 정복

CPU는 단순한 회로 집합이 아니라, 수많은 명령어를 처리하는 정교한 기계다.

이 글에서는 명령어 사이클을 기반으로 CPU의 동작 구조를 이해한다.

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명령어 실행의 전체 흐름

컴퓨터에서 실행되는 모든 프로그램은 결국 CPU가 해석하고 실행하는 기계어 명령어들의 연속이다.

고급 언어로 작성된 코드도, 컴파일 혹은 인터프리팅을 거쳐 기계가 해석 가능한 명령어 단위로 변환된다.

CPU는 이 명령어들을 하나하나 처리하며 프로그램을 수행한다. 이 일련의 과정을 명령어 사이클(instruction cycle) 또는 Fetch-Decode-Execute 사이클이라고 한다.

사이클을 알아야 하는 이유

프로그래밍이든, 하드웨어를 공부하든 CPU가 명령어를 실행하는 과정을 이해하는 것은 정말 중요하다.

이걸 모르면 메모리가 왜 필요하고, 컴파일러가 왜 있는지 모호하게 느껴지기 때문이다.

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핵심 개념: Fetch - Decode - Execute 사이클

출처: https://www.savemyexams.com/igcse/computer-science/cie/23/revision-notes/3-hardware/computer-architecture/the-fetch-decode-execute-cycle/

 

컴퓨터는 명령어(Instrution)를 받아서 하나하나 처리한다. 이 과정을 Fetch - Decode - Execute 사이클, 줄여서 FDE 사이클이라고 한다.

CPU는 이걸 매순간 반복하면서 우리가 시킨 일을 처리한다.

 

1. Fetch: 명령어 가져오기

"다음에 뭘 해야 할지 확인하자"

 

• 명령어는 일반적으로 RAM(주기억장치)에 저장되어 있다.
• CPU 내부에는 프로그램 카운터(PC)라는 레지스터가 존재하며, 다음에 가져올 명령어의 주소를 저장하고 있다.
• PC가 가리키는 주소에서 명령어를 읽어와, 명령어 레지스터(IR: Instruction Register)에 저장한다.
• fetch가 끝나면, PC는 다음 명령어 주소를 가리키도록 자동 증가한다.

🧩 실전 관점에서 Fetch 단계는 제어 흐름이 어떻게 작동하는지, goto, if, while 등이 기계 수준에서 어떻게 관리되는지를 이해하는 기반이 된다.

 

 

2. Decode: 명령어 해석하기

"이게 무슨 뜻이지?"

 

• CPU는 명령어를 구성하는 비트열을 분석한다.
• 명령어는 보통 다음과 같은 필드를 포함한다.
  • 연산 코드(Opcode): 어떤 연산을 할지 정의
  • 오퍼랜드(Operands): 연산에 필요한 데이터나 레지스터 주소
  • 주소 모드: 오퍼랜드 해석 방식(즉시, 직접, 간접 등)
• 제어 유닛(Control Unit)은 이 정보를 해석해, CPU 내부 회로를 설정하고 다음 단계인 실행을 준비한다.

🧠 실전 관점에서 Decode는 컴파일러가 기계어를 어떻게 생성하는지, CPU 명령 세트 아키텍처(ISA)와 어떤 관계가 있는지를 이해하는 데 핵심적인 단계다.

 

 

3. Execute: 실행하기

"좋아, 이제 실행해보자"

 

• 해석된 명령을 실제로 실행한다.
  • 연산이면 ALU(산술논리장치)가 계산,
  • 메모리 접근이면 데이터를 읽거나 쓰고,
  • 조건 분기라면 프로그램 프름을 바꾼다.
• 결과는 레지스터에 저장하거나 메모리로 전송된다.

이 F-D-E 사이클은 명령어 하나마다 한 번씩 돌아가고, 컴퓨터는 이것을 초당 수십억 번 반복한다(GHz 단위).

하드웨어 레벨에서 일어나는 일이므로 우리가 파이썬, 자바 같은 고수준 언어로 코딩해도, 결국에는 컴파일/인터프리트되어 기계어 명령어로 바뀌고 이 사이클로 처리된다.

명령어마다 걸리는 시간은 다를 수 있지만, 현대 CPU는 파이프라이닝 등으로 이걸 동시에 여러 개 처리하기도 한다.