📢 본 글은 혼공학습단 미션과 함께 정리해보는 글 입니다.
ALU와 제어장치
ALU
- 우리가 산술 연산을 할 때
연산자와피연산자가 필요하듯이, ALU의 연산에도 해당 정보들이 필요하다. - ALU는
레지스터를 통해 피연산자를 받아들이고,제어장치로부터 제어신호를 통해 연산자를 받아들인다. - 연산을 마치면 일시적으로
레지스터에 먼저 저장된다. 이때 결과는 숫자, 문자 또는 메모리 주소가 될 수도 있다.- 메모리가 아니라 레지스터에 저장되는 이유는
CPU가 레지스터에 접근하는 속도가 메모리에 접근하는 속도보다 더 빠르기 때문이다.
- 메모리가 아니라 레지스터에 저장되는 이유는
- 이 외에도 계산을 도와주는 회로들이 있다.
플래그
- 플래그는
계산 결과에 대한 부가적인 정보를 뜻한다. 앞서 2장에 정의된 플래그와 같다. - 결괏값이 음수거나 연산 결과가 레지스터보다 클 때 (= 오버플로우) 해당 정보드들을 내보낸다.
- 플래그의 종류로는 부호 플래그, 오버플로우 플래그 등 종류가 많다. 자세한 것은 여기를 참고하자.
제어장치
- 제어장치는
제어 신호를 내보내고 명령어를 해석하는 부품이다. - 제어 신호는
컴퓨터 부품들을 관리하고 작동시키기 위한 전기 신호를 뜻한다.
제어장치의 원리
1️⃣ 제어장치는 클럭 신호를 받아들인다. 클럭 주기에 맞춰서 작동하기 위해서다.
2️⃣ 제어장치는 '해석해야 할 명령어'를 받아들인다.
CPU가 해석해야 할 명령어는 명령어 레지스터에 저장되어 있다. 제어장치는 이 명령어 레지스터로부터 해석할 명령어를 받아들이고 해석한 뒤 제어 신호를 내보내게 된다.
3️⃣ 제어장치는 플래그 레지스터 속 플래그 값을 받아들인다.
제어장치가 제어 신호를 통해 컴퓨터 부품들을 제어할 때 참고 사항으로 사용하기 위해 플래그 레지스터에 있는 플래그들을 활용한다. (부가 정보가 담긴 플래그를 무시하면 안 되기 때문이다.)
4️⃣ 제어장치는 시스템 버스 중 제어 버스로 전달된 제어 신호를 받아들인다.
CPU 뿐 아니라 그 이외의 장치에서도 제어 신호를 발생시킬 수 있다. 그렇기 때문에 제어장치는 제어 버스를 통해 외부로부터 전달된 제어 신호를 받아들이기도 한다.
5️⃣ 제어장치가 정보들을 내보낸다.
제어장치는 정보들을 만들어낸 뒤 그 목적에 따라 레지스터, ALU, 입출력장치 등에 따로 보내게 된다.
레지스터
레지스터는 CPU 내부의 작은 임시 저장 장치를 뜻함
회사마다 CPU가 다르고 각 CPU에는 다양한 레지스터들이 있지만 공통적인 것은 아래와 같음
공통 레지스터
- 프로그램 카운터 (PC, Program Counter): 메모리에서 가져올 명령어의 메모리 내 주소를 저장한다. 가져올 때 마다 값이 증가된다. (그런데 때로는 JUMP 명령어, 인터럽트 등으로 인해 순차적으로 증가되지 않을 수도 있다.)
- 메모리 주소 레지스터: 메모리의 주소가 저장되어 있다.
- 메모리 버퍼 레지스터: 메모리와 주고받을 데이터와 명령어가 저장되어 있다.
- 플래그 레지스터: 연산 결과, CPU 상태 등에 대한 부가 정보가 저장되어 있다.
- 명령어 레지스터: 위에서 정의했듯 CPU가 해석해야 할 명령어들이 저장되어 있다.
- 범용 레지스터: 다양하고 일반적인 상황 (범용적)에서 쓸 수 있는 레지스터들이다. 그렇기 때문에 주소, 명령어, 데이터 등을 담을 수 있다.
- 스택 포인터: 주소 지정에 사용된다.
- 베이스 레지스터: 주소 지정에 사용된다.
레지스터들의 흐름
예시로 1000번지에 있는 1101이라는 값을 가져오는 과정을 보면 다음과 같다.
1️⃣ 프로그램 카운터는 가져올 데이터가 저장되어 있는 메모리 주소인 1000을 가져온다. (명령어의 구성 중 오퍼랜드에는 연산에 사용할 데이터 또는 그 데이터가 저장된 위치를 저장할 수 있다고 하였다. 이 경우에는 데이터가 오퍼랜드에 있는 것이다. Ch03 참고)
2️⃣ 메모리 주소 레지스터에도 1000이 저장된다. (메모리의 주소가 저장되므로)
3️⃣ 메모리 읽기 제어 신호와 메모리 주소 레지스터 값이 제어 버스, 주소 버스를 통해 메모리로 전송된다.
4️⃣ 메모리 1000번지에 저장된 실제 값이 데이터 버스를 통해 메모리 버퍼 레지스터로 전달된다. (데이터와 명령어가 저장되므로) 이후 프로그램 카운터는 증가하여 다음 명령어를 대기한다.
5️⃣ 메모리 버퍼 레지스터에 있던 값이 명령어 레지스터로 이동된다.
6️⃣ 이후에는제어장치의 원리부분대로 작동한다.
주소 지정 방식
3장에서 정의한 주소 지정 방식 이외에 레지스터를 활용한 주소 지정 방식들이 있다.
스택 주소 지정 방식
스택과 스택 포인터를 활용한 방식이다. 스택 포인터는 스택의 꼭대기를 가리키는 레지스터이다.
즉 이 방식은 CPU가 스택 포인터를 가리킴으로써 실행해야 할 위치를 계산한다.
스택은 메모리 안에 저장되어 있다. 스택 영역이 암묵적으로 정의되어 있다.
스택의 개념에 대해 알고 싶다면 이전에 작성한 글을 참고하자.
변위 주소 지정 방식
오퍼랜드 필드의 값 (변위)과 특정 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻어내는 방식이다.
때문에 이 방식의 명령어는 연산 코드, 레지스터, 주소를 담고 있는 오퍼랜드로 이루어져 있다.
이때 레지스터로는 프로그램 카운터와 베이스 레지스터가 활용될 수 있으며, 각각 상대 주소 지정 방식과 베이스 레지스터 주소 지정 방식이라 한다.
상대 주소 지정 방식
오퍼랜드와 프로그램 카운터의 값을 더하여 유효 주소를 얻어낸다.
오퍼랜드가 -3, 프로그램 카운터가 1000이면 1000 - 3, 즉 997번 번지로 접근한다.
베이스 레지스터 주소 지정 방식
오퍼랜드와 베이스 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻어낸다.
베이스 레지스터는 일종의 기준점이며, 오퍼랜드는 기준 주소로 떨어진 거리로 사용된다.
베이스 레지스터가 200, 오퍼랜드가 50일 경우 기준 주소 200으로부터 50 떨어진 250번 번지로 접근한다.
명령어 사이클과 인터럽트
명령어 사이클
명령어 사이클은 CPU가 명령어를 처리하는 과정에서 정해진 흐름을 뜻한다.
인출 사이클
메모리에 있는 명령어를 CPU로 가져오는 단계를 뜻한다.
실행 사이클
CPU로 가져온 명령어를 실행하는 단계를 뜻한다.
간접 사이클
간접 주소 지정 방식에서는 유효 주소의 주소를 저장했기 때문에 한번 더 접근해야 한다. 이러한 단계를 간접 사이클이라 한다.
따라서, 명령어의 사이클은 인출 - 간접 (옵션) - 실행 사이클을 반복한다.
인터럽트
위의 명령어 사이클은 인터럽트에 의해 잠시 중단될 수 있다. 인터럽트는 CPU가 꼭 주목해야 하고 처리해야 할 때 발생한다.
동기 인터럽트 (synchronous interrupt = exception)
- CPU가 예기치 못한 상황을 접했을 때 발생
- 기존에 실행하던 명령어를 잠시 중단하고 예외적인 상황을 먼저 처리해야겠다고 판단
- 실행할 수 없는 명령어를 접한 것 등
- 종류
- 폴트 (falut): 예외 처리 후 예외가 발생한 명령어부터 실행 재개
- 트랩 (trap): 예외 처리 후 예외가 발생한 명령어의 다음 명령어부터 실행 재개
- 중단 (abort): 프로그램을 강제로 중단시킬 수 밖에 없는 심각한 오류 발견
- 소프트웨어 인터럽트 (software interrupt): 시스템 호출 (system call)이 발생할 때 나타나는 예외
비동기 인터럽트 (asynchronous interrupt = hardware interrupt)
- 주로
입출력장치에 의해 발생 - 문제라기보다는
알림과 유사 - CPU가 더 중요한 작업을 할 수 있도록 해 줌
- 전자레인지를 우리가 직접 돌린다면 언제 끝날지 계속 기다리고 있어야 함 → 생산성 저하
- 입출력 작업 도중에도 효율적으로 명령어를 처리할 수 있도록 도와주는 역할
비동기 인터럽트 순서
1️⃣ 입출력장치가 CPU에 인터럽트 요청 신호 보냄
2️⃣ CPU는 실행 사이클이 끝나고 명령어를 인출하기 전 항상 인터럽트 여부 확인
3️⃣ CPU는 인터럽트 요청을 확인하고 인터럽트 플래그를 통해 현재 인터럽트를 받아들일 수 있는지 판단
- 인터럽트 요청 신호: 인터럽트를 보내고자 하는 주체가
CPU에게 인터럽트를 보내도 되는지 요청하는 신호 - CPU가 인터럽트 요청을 수행하기 위해서는 플래그 레지스터의
인터럽트 플래그가 활성화 되어 있어야 함- 모든 하드웨어 인터럽트를 인터럽트 플래그로 막을 수 있는 것은 아님. 하드웨어 고장 등은 막을 수 없음.
- 이때 막을 수 있는 인터럽트를
maskable interrupt, 막을 수 없는 인터럽트를non-maskable interrupt라 함
4️⃣ 인터럽트를 받아들일 수 있다면 CPU는 지금까지의 작업을 백업
인터럽트가 발생하면 인터럽트 서비스 루틴으로 잠시 점프된다고 하였다. 이때 기존 레지스터들에 있던 값들은 어디에 보관될까? → 스택을 활용한다.
5️⃣ CPU는 인터럽트 벡터를 참조하여 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.
- 인터럽트 서비스 루틴은
인터럽트가 발생했을 때 해당 인터럽트를 어떻게 처리해야 할 지 알려주는 프로그램이다. - 프로그램이기 때문에 보통 메모리에 저장되어 있으며, 인터럽트를 보내는 주체에 따라 각기 다른 인터럽트 서비스 루틴의 시작 주소를 가지고 있다. 또한 프로그램이기에 명령어와 데이터로 이루어져 있으며, 프로그램 카운터를 비롯한 레지스터들을 사용하며 실행된다. (그렇기 때문에 레지스터의 작업 내역들을 백업해야 하는 것이다.)
- 인터럽트를 보내는 주체에 따라 다른 인터럽트 서비스 루틴들을 가지고 있다고 하였으므로, 이들을 구분할 수 있어야 한다. 이때 쓰이는 개념이
인터럽트 벡터다. 인터럽트 벡터들이 모여져 있는 테이블을인터럽트 벡터 테이블이라 한다.
6️⃣ 인터럽트 서비스 루틴이 끝나면 백업해 둔 작업을 복구하여 실행을 재개
- 스택에서 값을 꺼내 다시 레지스터에 넣는다.
CPU가 인터럽트를 처리한다 = 인터럽트 서비스 루틴을 실행하고 (인터럽트 벡터를 통해 인터럽트 서비스 루틴의 시작 주소를 알 수 있음), 본래 수행하던 작업으로 다시 되돌아온다
미션
- 125p 확인 문제 2번
- 연산 결과 혹은 CPU 상태에 대한 부가 정보를 저장하는 레지스터 →
플래그 레지스터 - 메모리에서 가져올 명령어의 주소를 저장하는 레지스터 →
프로그램 카운터 - 데이터와 주소를 모두 저장할 수 있는 레지스터 →
범용 레지스터 - 해석할 명령어를 저장하는 레지스터 →
명령어 레지스터
- 연산 결과 혹은 CPU 상태에 대한 부가 정보를 저장하는 레지스터 →
부족하거나 보완할 점이 있다면 댓글 부탁드립니다 😃
