CPU는 어떻게 생각할까? C로 16비트 CPU를 직접 만들어보는 아주 좋은 입문 글

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Mar 15, 2026

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CPU를 이해하는 가장 재밌는 방법 중 하나: 직접 만들어보기

개인적으로 과학자가 아닌 엔지니어로서 기술에 대한 지론이 있다면, 바로 정말로 기술과 이론에 대해 이해하고 활용할 수 있다면 그 기술과 이론에 대한 평가(estimation)과 시뮬레이션(simulation)이 가능해야하고, 이 과정의 선순환이 가능해야한다는 것이다. 평가와 시뮬레이션이 서로를 positive feedback을 줄 수 있으면서 점점 더 해당 기술과 이론에 대해서 깊이를 쌓아갈 수 있다고 생각하기 때문이다.

컴퓨터 구조를 공부하다보면, 이 simulation(여기서는 하드웨어인 CPU를 따라하는 것이기 때문에 Emulation이라는 용어를 쓰도록 하겠다)을 통한 학습이 매우 많다. 직접 AND, OR gate를 이용해 ALU를 구현해보거나, register를 구현해보는 것은 매우 잘 알려진 학습 방법이다. 하지만 회로적인 성격을 넘어서 실제 CPU안에서 다양한 요소들이 어떻게 이어지고 동작하는지 선명하지 않을 때가 많은데, 최근에 트위터에서 우연히 본 Building a 16-bit CPU from scratch in C라는 글은 그러한 부분을 메워주는 좋은 자료다. CPU를 이론적으로만 설명하지 않고, 회로적인 측면보다는 실질적인 동작과 플래그, 스택, 점프 명령 같은 것들을 설명과 함께 C코드로 제공한다. 코드 전문은 github에 있고, 글 설명마다 중간에 친절하게 코드블럭을 넣어두어 설명에 맞춰 코드를 따라가볼 수 있다.

CPU의 구성 요소

원문 글에서는 CPU 내부 동작 구조를 사무실에 빗대어 설명한다. 레지스터는 책상 위 메모지이고, 메모리는 서류 캐비닛이며, ALU는 계산기로 설명한다. 이 3가지 아이템을 활용하여 직원은 계속해서 명령을 읽고, 해석하고, 실행하고, 다음 명령으로 넘어가는 과정으로 묘사한다. CPU의 핵심인 fetch → decode → execute 사이클을 아주 직관적인 표현으로 묘사한다.

실제로 CPU를 구성하는 기본 요소들을 위 사무실 묘사로 풀어서 설명하는 동시에 하나씩 코드로 만들어간다.

8개의 16비트 레지스터

64KB 메모리

프로그램 카운터(PC)

스택 포인터(SP)

Zero / Negative / Overflow 플래그

산술/논리 연산을 담당하는 ALU

점프와 조건 분기

PUSH / POP / CALL / RET

간단한 어셈블러

CPU의 핵심은 다 다루고 있는 셈이다. 사무실로 묘사하는 부분이 투박하기는 해도 직관적인 이해를 돕는데는 탁월하다. 예를 들어 레지스터와 메모리의 차이를 설명할 때, 작업자는 책상 위에 올려둔 것만 바로 계산할 수 있다는 표현으로 설명하는데, 메모리는 저장 공간이고, 실제 계산은 레지스터 위에서 일어난다는 사실을 바로 이해 가능하게 만들어 준다. 조건문이 하드웨어에서 어떻게 동작하는지에 대한 설명도, CPU는 같다라는 개념을 인식할 수 없기 때문에 뺄셈을 통해 결과가 0인지, 아닌지 플래그와 점프 명령을 통해 if (a == b) 같은 코드가 실제로 어떻게 동작하는지 이해하게 된다.

또한 AND, OR Gate로 CPU를 회로적인 구성으로만 풀어보는 것과 다르게 스택과 함수 호출에 대한 설명으로 이어진다. 실제 프로그램이 돌아가기 위한 필수적인 흐름까지도 같이 가져가면서 좀 더 소프트웨어가 실제 하드웨어인 CPU 위에서 어떻게 동작하는지를 보다 자세히 이해할 수 있다.

명령어 인코딩을 직접 설계하는 과정에서는 16bit CPU를 구현하기 때문에 16bit opcode에 명령어와 정보 비트라는 trade off를 설명해주기도 하고 어셈블러를 구현하여 최종 예제인 1부터 100까지 합산을 하는 프로그램으로 마무리하면서 앞에서 설명한 모든 요소들이 실제로 다 연결되어 동작하는 모습을 볼 수 있다.

물론 CPU 동작에서 중요한 요소들 중 빠진 부분도 많다. 파이프라인, 인터럽트, 캐시 같은 부분은 언급만 되거나 아예 다루지 않고 있다. 어쨋거나 입문과 이해에 초점을 두고 있기 때문에 복잡한 현대 CPU 를 직접적으로 다루거나 이해하는 것은 목표에서 벗어난다. 작더라도 직접 동작하는 CPU를 만들어보면서 컴퓨터 구조 책이나 강의를 구매했는데 시작을 못하고 있는 저와 같은 분들에게 좋은 출발 점이 되는 글이다.

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