기계어는 CPU에서 어떻게 실행되는가 - ISA와 Instruction Cycle
지금까지 Source Code가 Compile되고, Link되고, Process가 되어 Memory에 배치되고, 필요할 때 Kernel Service를 요청하는 흐름을 따라왔다.
마지막에는 결국 CPU가 Machine Code를 실행한다.
Compiler가 만든 Machine Code는 CPU 안에서 실제로 어떻게 실행되는가?
1. Source Code와 CPU 사이의 마지막 경계
C++ 같은 Native Compile을 기준으로 보면:
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C++ Source
↓ Compiler
Machine Code
↓
CPU
하지만 CPU는 C++의 if, for, Class 같은 개념을 직접 이해하지 않는다.
CPU가 이해하는 것은 자신의 ISA(Instruction Set Architecture, 명령어 집합 구조)에 정의된 Instruction이다.
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High-level Language
↓ Compiler
ISA에 맞는 Machine Instruction
↓
CPU 구현
2. ISA는 CPU와 Software 사이의 약속이다
ISA는 CPU가 Software에 보여주는 명령어 수준의 Interface다.
대표적으로 다음과 같은 것을 정의한다.
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어떤 Instruction이 있는가?
어떤 Register를 사용할 수 있는가?
Data를 어떤 방식으로 다루는가?
Memory Addressing은 어떻게 표현하는가?
Branch와 Function Call은 어떻게 표현하는가?
x86-64와 ARM64가 서로 다른 Binary를 사용하는 이유도 이 지점에서 보인다.
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같은 Source
│
├─ x86-64 Target → x86-64 Instruction
│
└─ ARM64 Target → ARM64 Instruction
Compiler의 Target을 바꾸면 같은 Source에서도 서로 다른 ISA용 Machine Code가 만들어질 수 있다.
3. ISA와 CPU 구현은 같은 것이 아니다
ISA가 같다고 CPU 내부 구조까지 같은 것은 아니다.
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ISA
= Software가 볼 수 있는 Instruction 규약
Microarchitecture
= 그 ISA를 실제 Hardware 내부에서 구현하는 방식
예를 들어 같은 x86-64 ISA를 실행하는 CPU라도 Pipeline, Cache, Execution Unit, Branch Predictor 같은 내부 구조는 서로 다를 수 있다.
Software는 ISA라는 공통 경계를 기준으로 실행되고, CPU 제조사는 그 규약을 지키면서 내부 구현을 다르게 설계할 수 있다.
4. CPU는 Instruction을 어떻게 실행할까
가장 단순한 모델은 Instruction Cycle이다.
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Fetch
↓
Decode
↓
Execute
↓
결과 반영
↓
다음 Instruction
Fetch
Program Counter가 가리키는 위치에서 다음 Instruction을 가져온다.
Decode
가져온 Bit Pattern이 어떤 Instruction이고 어떤 Operand를 사용하는지 해석한다.
Execute
ALU 연산, Memory 접근, Branch 같은 실제 동작을 수행한다.
결과 반영
결과를 Register나 Memory에 반영하고 다음 Instruction으로 진행한다.
이 모델은 CPU 내부 구현을 모두 설명하는 것은 아니지만 Machine Code가 실행된다는 말의 기준점을 제공한다.
5. Register는 왜 필요한가
CPU가 계산할 때 매번 RAM을 직접 사용하면 Memory 접근 비용이 크다.
CPU 내부에는 매우 빠르게 접근할 수 있는 Register가 있다.
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Memory
↓ Load
Register
↓ 연산
Register
↓ Store
Memory
Compiler는 ISA와 ABI 규칙을 고려해 어떤 값을 Register에 둘지 결정한다.
여기서 앞서 살펴본 ABI와 ISA가 만난다.
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ISA
→ 어떤 Register와 Instruction이 존재하는가
ABI
→ 그 Register를 함수 호출에서 어떻게 사용할 것인가
Compiler
→ 두 규칙에 맞춰 Machine Code 생성
6. Virtual Memory와 CPU도 여기서 만난다
CPU가 Instruction을 실행하다 Memory에 접근하면 Program이 사용하는 주소는 일반적으로 Virtual Address다.
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CPU Instruction
↓ Memory 접근
Virtual Address
↓ MMU / TLB
Physical Address
↓
Cache / RAM
따라서 앞서 본 Virtual Memory는 운영체제만의 추상 개념으로 끝나지 않는다. 실제 Instruction 실행 중 CPU의 Memory 접근 경로에 들어간다.
7. 실제 CPU는 한 Instruction씩 단순하게 기다리지 않는다
기본 Instruction Cycle은 이해를 위한 출발점이다.
현대 CPU는 성능을 높이기 위해 여러 Instruction의 단계를 겹쳐 처리하는 Pipeline을 사용할 수 있다.
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Instruction A : Fetch → Decode → Execute
Instruction B : Fetch → Decode → Execute
Instruction C : Fetch → Decode → Execute
여기에 Superscalar, Out-of-Order Execution, Branch Prediction 같은 기법이 더해질 수 있다.
하지만 이것들은 ISA와 다른 층의 개념이다.
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ISA
→ Software와 CPU 사이의 Instruction 규약
Microarchitecture
→ 그 Instruction을 빠르게 실행하기 위한 CPU 내부 구현
따라서 프로그램 실행의 큰 그림을 잡는 단계에서는 둘을 섞지 않는 것이 중요하다.
8. Runtime을 사용하는 언어도 결국 CPU로 내려온다
Java나 JavaScript처럼 Runtime이 중간에 있어도 실제 Hardware에서 실행되는 마지막 단계는 Native Instruction이다.
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Java Bytecode
↓ JVM / JIT
Native Machine Code
↓
CPU
JavaScript
↓ JS Engine / JIT
Native Machine Code
↓
CPU
WebAssembly
↓ Wasm Runtime
Native Machine Code
↓
CPU
중간 실행 계층이 있다는 것은 CPU가 Bytecode나 JavaScript Source를 직접 이해한다는 뜻이 아니다.
Runtime 자체도 Native Program이며, 필요한 Code를 해석하거나 Native Code로 변환하여 실제 CPU에서 실행한다.
9. 전체 시리즈를 한 번에 연결한다
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Source Code
↓
Compiler
↓
Object File
↓
Linker
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Executable
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Loader
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Process / Virtual Address Space
↓
Runtime / Library
↓
System Call ─────→ Kernel / Device
│
↓
Machine Code
↓
ISA
↓
CPU Microarchitecture
↓
Register / Cache / Memory / Execution Unit
이 Diagram에서 모든 화살표가 같은 의미는 아니다. 위쪽은 주로 변환과 실행 준비의 흐름이고, System Call 쪽은 Kernel Service 요청, CPU 쪽은 Instruction 실행 계층을 나타낸다.
기억 흐름
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Machine Code
= 특정 ISA의 Instruction을 Binary로 표현한 것
ISA
= Software와 CPU 사이의 Instruction 규약
Microarchitecture
= ISA를 실제 CPU 내부에서 구현하는 방식
Instruction Cycle
= Fetch → Decode → Execute
Register
= CPU 내부에서 연산에 사용하는 빠른 저장 공간
Compiler가 만든 Machine Code는 특정 ISA의 Instruction이며, CPU는 그 ISA를 구현한 Microarchitecture를 통해 Instruction을 Fetch·Decode·Execute한다. 결국 우리가 작성한 Source Code의 실행은 이 지점에서 실제 Hardware 동작으로 이어진다.