[아키텍처] 명령어 세트(Instruction Set)과 인터럽트 사이클(Interrupt Cycle)

1. 인터럽트 사이클 (Interrupt Cycle)

1) 인터럽트란?

• **인터럽트(interrupt)**는 프로그램 실행 중에 CPU가 현재 명령어의 흐름을 중단하고, 외부 장치나 내부 요청에 의해 다른 작업을 처리하도록 하는 메커니즘
• 이러한 인터럽트가 들어오면 CPU는 현재 작업을 멈추고, 해당 요청을 처리하는 **인터럽트 서비스 루틴(ISR, Interrupt Service Routine)**을 실행
• ISR 실행이 끝난 후에는 원래 프로그램의 흐름으로 복귀하여 작업을 이어감.
  - 원래 상태로 돌아가기 위해서, 인터럽트 발생 시에 현재의 CPU 상태를 저장함.

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2) 인터럽트 사이클의 수행 조건

• CPU는 명령어 실행 사이클과 사이클 사이에 인터럽트 요청 신호가 있는지 검사함.
  - 인터럽트 사이클에는 현재의 PC 값을 스택에 저장한 후, PC에 해당 ISR의 시작 주소를 적재함.
• 만약 요청이 감지되면, 인터럽트 사이클이 수행됨.
• 단, CPU가 **인터럽트 가능 상태(interrupt enabled)**일 때만 수행 가능.
• 반대로 중요한 작업 중이라면 **인터럽트 불가능 상태(interrupt disabled)**로 설정되어 요청을 무시함.

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3) 인터럽트 사이클의 수행 단계

주기(t)	마이크로	연산 설명
t0	MBR ← PC	현재 실행 중인 다음 명령어의 주소(PC)를 MBR로 저장
t1	MAR ← SP, PC ← ISR 주소	현재 SP값을 주소버스에 내보냄, 동시에 ISR 주소를 PC에 적재
t2	M[MAR] ← MBR, SP ← SP - 1	복귀 주소를 스택에 저장, SP 감소하여 스택 최상위 갱신(스택의 pop)

📝 스택 포인터(SP): 스택의 최상위 주소(TOS)를 가리키는 레지스터
일반적으로 스택은 주기억장치의 마지막 영역부터 아래로 사용됨 → SP는 초기에 큰 값으로 설정됨

• 인터럽트가 종료되면 999번지 스택에 저장해두었던, 인터럽트 발생 이전의 PC값 0101을 가져와서 PC값에 저장한 후, SP의 값을 1 감소시킴.

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4) 인터럽트 처리 시 유의사항

• 예를 들어, AC 레지스터에 이전 명령어의 연산 결과가 저장되어 있는 상태에서 인터럽트가 발생하면, ISR 수행 중에 AC의 값이 바뀔 수 있음.
• 이런 경우 복귀 후 원래 프로그램이 잘못된 데이터를 기반으로 수행될 수 있음 → 오류 발생
• 따라서 **ISR 진입 시 주요 레지스터 값들을 스택에 저장(push)**하고, **ISR 종료 직전에 복원(pop)**하는 절차가 필요함.

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5) 다중 인터럽트 (Multiple Interrupt)

• ISR 수행 중에도 새로운 인터럽트 요청이 들어올 수 있음
• 이를 처리하는 방법은 2가지로 나뉜다:

방법	설명
방법 1: 인터럽트 금지 방식	ISR 수행 중엔 다른 인터럽트를 무시하고, 기존 ISR이 끝나야 다음 인터럽트를 처리함 (간단하지만 지연 발생)
방법 2: 우선순위 방식	ISR 수행 중에도 우선순위가 더 높은 인터럽트가 들어오면 기존 ISR을 일시 중단하고 새 요청 처리. 이후 원래 ISR로 복귀

💡 다중 인터럽트 실행 흐름 예시

Main → ISR-X 수행 중 → 높은 우선순위 ISR-Y 발생
→ ISR-Y 완료 후 → ISR-X 복귀 → Main 복귀

 

※ 스택에는 Main 복귀 주소 + ISR-X 복귀 주소가 차례로 저장됨

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2. 간접 사이클 (Indirect Cycle)

1) 간접 사이클이란?

• 간접 주소지정 방식이 사용된 명령어의 경우, 명령어에 포함된 주소가 직접 데이터의 주소가 아님
• 해당 주소가 가리키는 위치에 **진짜 데이터 주소(유효 주소, EA)**가 저장되어 있고, 그곳에 접근해야 함
• 따라서 실행 전에 간접 사이클을 거쳐 실제 연산에 사용할 주소를 획득해야 함

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2) 수행 단계 (마이크로 연산)

주기(t)	마이크로 연산	설명
t0	MAR ← IR(addr)	명령어 안의 주소 필드를 MAR로 전달
t1	MBR ← M[MAR]	MAR이 가리키는 메모리 주소의 값을 MBR로 가져옴
t2	IR(addr) ← MBR	MBR 값(진짜 주소)을 IR 주소 필드에 저장

📌 이 과정을 통해 간접 주소 → 유효 주소로 변환됨
IR이 최종적으로 실행에 사용할 주소를 갖게 됨

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3. 명령어 파이프라이닝 (Instruction Pipelining)

1) 파이프라이닝이란?

• CPU의 처리 속도를 높이기 위한 대표적인 기술
• 명령어 실행을 위한 하드웨어를 **여러 개의 단계(Stage)**로 나누고,
  각 단계가 동시에 다른 명령어를 처리하도록 구성

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2) 동작 방식 예시

• 각 명령어는 다음과 같은 단계를 거침:

인출(Fetch) → 해석(Decode) → 실행(Execute) → 메모리 접근(Memory) → 저장(Write-back)

• 명령어 A가 인출될 때 명령어 B는 해석, 명령어 C는 실행 중 → 동시 처리

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3) 특징 및 장점

항목	설명
병렬 처리	각 명령어가 서로 다른 단계에서 병렬로 처리됨
처리 속도 향상	N단계 파이프라인일 경우 최대 N배 향상
효율성 증가	CPU 자원 활용도 향상
응용 확장	멀티 파이프라인 구조로 현대 CPU의 성능 극대화 가능