CPU의 작동 원리

1. ALU와 제어장치

1.1 ALU

ALU는 계산하는 부품이라고 불린다. 따라서 ALU는 레지스터를 통해 피연산자를 받아들이고 제어장치로부터 수행할 연산을 알려주는 제어 신호를 받아들인다. 이 데이터들로 산술 연산, 논리 연산 등 다양한 연산을 수행한다.

이번에는 ALU가 내보내는 정보에 대해 알아보자.
연산을 수행한 결과는 숫자나 문자일수도 있고 메모리 주소 일수도 있다.

ALU가 연산한 결과는 바로 메모리에 저장되지 않고 레지스터에 저장된다.
메모리에 접근하는 속도보다 레지스터에 접근하는 속도가 월등히 빠르기 때문.

ALU는 계산 결과 이외에도 플래그를 내보낸다.

플래그는 연산 결과에 대한 추가적인 상태 정보를 의미하는데 다음은 대표적인 플래그의 종류이다.

이러한 플래그 또한 플래그 레지스터라는 레지스터에 저장된다.

1.2 제어장치

<제어장치>

• 제어 신호를 내보내고 명령어를 해석하는 부품.

<제어 신호>

• 컴퓨터 부품들을 관리하고 작동시키기 위한 일종의 전기 신호.

1.2.1 제어장치가 받아들이는 정보

1. 클럭 신호

   클럭은 컴퓨터의 모든 부품을 일사불란하게 움직일 수 있게 하는 시간 단위이다.

"컴퓨터의 모든 부품이 클럭 신호에 맞춰 작동한다" != "컴퓨터의 모든 부품이 한 클럭마다 작동한다"

위 그림처럼 메모리에서 명령어 가져오는 것은 여러 클럭에 걸쳐서 실행되어지고 있다.

2. 해석해야 할 명령어

   CPU가 해석해야 할 명령어는 명령어 레지스터에 저장된다.

3. 플래그 레지스터 속 플래그 값

   플래그 값을 받아들이고 이를 참조하여 제어 신호를 발생시킨다.

4. 제어 버스로 전달된 제어 신호

   제어 버스를 통해 외부로부터 전달된 제어 신호를 받아들인다.

1.2.2 제어장치가 내보내는 정보

• CPU 외부에 전달하는 제어신호
• CPU 내부에 전달하는 제어신호

2. 레지스터

2.1 프로그램 카운터

프로그램 카운터는 메모리에서 가져올 명령어의 주소, 메모리에서 읽어들일 명령어의 주소를 저장한다. 명령어 포인터라고 부르는 CPU도 있다.

2.2 명령어 레지스터

명령어 레지스터는 해석할 명령어, 방금 메모리에서 읽어 들인 명령어를 저정하는 레지스터이다. 제어장치는 명령어 레지스터 속 명령어를 받아들이고 이를 해석한 뒤 제어 신호를 내보낸다.

2.3 메모리 주소 레지스터

메모리 주소 레지스터는 메모리의 주소를 저장하는 레지스터이다. CPU가 읽어 들이고자 하는 주소 값을 주소 버스로 보낼 때 메모리 주소 레지스터를 거치게 된다.

2.4 메모리 버퍼 레지스터

메모리 버퍼 레지스터는 메모리와 주고받을 값을 저장하는 레지스터이다. 즉, 메모리에 쓰고 싶은 값이나 메모리로부터 전달받은 값은 메모리 버퍼 레지스터를 거친다.

2.5 레지스터들의 동작 과정

예시로 알아보자.

1. 현재 CPU에 실행하고자 하는 프로그램이 1000번지부터 1500번지까지 저장되어 있다.

2. 프로그램을 처음부터 실행하기 위해 프로그램 카운터에는 1000이 저장된다.

3. 1000번지를 읽어 들이기 위해서는 주소 버스로 1000번지를 내보내야 한다. 메모리 주소 레지스터에는 1000이 저장된다.

4. 메모리 읽기 제어 신호와 메모리 주소 레지스터 값이 각각 제어 버스와 주소 버스를 통해 메모리로 보내진다.

5. 메모리 1000번지에 저장된 값은 데이터 버스를 통해 메모리 버퍼 레지스터로 전달되고, 프로그램 카운터는 증가되어 다음 명령어를 읽어 들일 준비를 한다.

6. 메모리 버퍼 레지스터에 저장된 값은 명령어 레지스터로 이동한다.

2.6 범용 레지스터

일반적인 상황에서 자유롭게 사용할 수 있는 레지스터이다. 범용 레지스터는 데이터와 주소를 모두 저장할 수 있다.

2.7 플래그 레지스터

플래그 레지스터는 ALU의 연산 결과에 따른 플래그를 저장한다. 즉, 플래그 레지스터는 연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보를 저장하는 레지스터이다.

3. 레지스터 주소 지정방식

3.1 스택 주소 지정 방식

스택 주소 지정 방식은 스택과 스택 포인터를 이용한 주소 지정 방식이다. 스택 포인터는 스택의 꼭대기를 가리키는 레지스터이다.

스택 포인터는 스택에 마지막으로 저장한 값의 위치를 저장하는 레지스터이다. 또 스택 포인터는 스택의 어디까지 데이터가 채워져 있는지에 대한 표시라고도 할 수 있다.

3.2 변위 주소 지정 방식

오퍼랜드 필드에는 메모리의 주소가 담길 수도 있다. 변위 주소 지정방식은 오퍼랜드 필드의 값과 특정 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻어내는 방식이다.

변위 주소 지정 방식은 오퍼랜드와 어떤 레지스터를 더하는지에 따라 상대 주소 지정 방식, 베이스 레지스터 주소 지정 방식 등으로 나뉜다.

3.3 상대 주소 지정 방식

오퍼랜드와 프로그램 카운터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식

3.4 베이스 레지스터 주소 지정 방식

오퍼랜드와 베이스 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식

베이스 레지스터는 기준 주소, 오퍼랜드는 기준 주소로부터 떨어진 거리로 역할을 한다.

위 예시를 보면 베이스 레지스터는 200번지를 저장하고 있고 오퍼랜드에 50이 저장되어 있다. 즉 기준 주소는 200번지이고 200번지로 부터 50번지 떨어진 250 번지에 접근하라는 뜻이다.

4. 명령어 사이클과 인터럽트

CPU가 하나의 명령어를 처리하는 과정에는 정해진 흐름이 있다. 이 흐름을 명령어 사이클이라고 한다.
CPU는 정해진 흐름에 따라 명령어를 처리하지만, 간혹 이 흐름이 끊기는데 이를 인터럽트라고 한다.

4.1 명령어 사이클

프로그램 속 각각의 명령어들은 일정한 주기가 반복되며 실행되는데 이 주기를 명령어 사이클이라 한다.

메모리에 저장된 명령어를 실행한다고 가정해보자.

1. 명령어를 메모리에서 CPU로 가져온다. (인출 사이클)
2. CPU로 가져온 명령어를 실행한다. (실행 사이클)
3. 프로그램들은 인출과 실행 사이클을 수 없이 반복한다.
4. CPU로 명령어를 가져왔다해도 바로 실행하지 못하는 경우가 있는데 이는 간접 사이클이라고 한다.

4.2 인터럽트

CPU가 수행 중인 작업은 방해를 받아 잠시 중단될 수 있는데 CPU의 작업을 방해하는 신호를 인터럽트라고 한다.

4.2.1 동기 인터럽트

동기 인터럽트는 CPU에 의해 발생하는 인터럽트이다. CPU가 명령어들을 수행하다가 예상치 못한 상황에 마주쳤을 때, 가령 오류가 발생했을 때를 예로 들 수 있다.

4.2.2 비동기 인터럽트

주로 입출력장치에 의해 발생하는 인터럽트이다. 다른 말로 하드웨어 인터럽트라고도 한다.

• CPU가 프린터와 같은 입출력장치에 입출력 작업을 부탁하면 작업을 끝낸 입출력장치가 CPU에 완료 알림을 보낸다.

4.2.3 하드웨어 인터럽트

하드웨어 인터럽트는 알림과 같은 인터럽트이다.

"하드웨어 인터럽트 처리 순서"

1. 입출력장치는 CPU에 인터럽트 요청 신호를 보낸다.
2. CPU는 실행 사이클이 끝나고 명령어를 인출하기전 항상 인터럴트 여부를 확인한다.
3. CPU는 인터럽트 플래그를 통해 인터럽트를 받아들일 수 있는지 여부를 확인한다.
4. 인터럽트를 받아들일 수 있다면 CPU는 지금까지의 작업을 백업한다.
5. CPU는 인터럽트 벡터를 참조하여 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.
6. 인터럽트 서비스 루틴이 끝나면 백업해둔 작업을 복구해서 실행한다.

인터럽트 요청을 받아들이기로 했으면 CPU는 인터럽트 서비스 루틴이라는 프로그램을 실행한다. 인터럽트 핸들러라고도 부른다.