이번 포스팅에서는 CPU의 구성 요소 중 ALU, 제어장치, 레지스터와 명령어 사이클, 인터럽트를 알아보겠다.

1. ALU와 제어장치

1.1 ALU

ALU는 레지스터를 통해 피연산자를 받아들이고, 제어장치로부터 수행할 연산을 알려주는 제어 신호를 받아들인다.

연산을 수행한 결과는 일시적으로 레지스터에 저장된다.
→ CPU가 메모리에 접근하는 속도는 레지스터에 접근하는 속도보다 훨씬 느리다.

플래그(flag): ALU가 내보내는 연산 결과에 대한 추가적인 상태 정보

플래그 종류	의미	사용 예시
부호 플래그	연산한 결과의 부호를 나타낸다.	부호 플래그가 1일 경우 계산 결과는 음수, 0일 경우 계산 결과는 양수를 의미한다.
제로 플래그	연산 결과가 0인지 여부를 나타낸다.	제로 플래그가 1일 경우 연산 결과는 0, 0일경우 연산 결과는 0이 아님을 의미한다.
캐리 플래그	연산 결과가 올림수나 빌림수가 발생했는지를 나타낸다.	캐리 플래그가 1일 경우 올림수나 빌림수나 발생했음을 의미하고, 0일 경우 발생하지 않았음을 의미한다.
오버플로우 플래그	오버플로우가 발생했는지를 나타낸다.	오버플로우 플래그가 1일 경우 오버플로우가 발생햇음을 의미하고, 0일 경우 발생하지 않았음을 의미한다.
인터럽트 플래그	인터럽트가 가능하지를 나타낸다.	인터럽트 플래그가 1일 경우 인터럽트가 가능함을 의미하고, 0일 경우 인터럽트가 불가능함을 의미한다.
슈퍼바이저 플래그	커널 모드로 실행 중인지, 사용자 모드로 실행 중인지를 나타낸다.	슈퍼바이저 플래그가 1일 경우 커널 모드로 실행 중임을 의미하고, 0일 경우 사용자 모드로 실행 중임을 의미한다.

플래그들은 플래그 레지스터에 저장된다.

이 밖에도 ALU 내부에는 여러 계산을 위한 회로들이 있다.

1.2 제어장치

제어장치: 제어 신호를 내보내고, 명령어를 해석하는 부품
제어 신호: 컴퓨터 부품들을 관리하고 작동시키기 위한 일종의 전기 신호

제어장치가 받아들이는 정보

1. 클럭 신호
클럭(clock)이란 컴퓨터의 모든 부품을 일사불란하게 움질일 수 있게 하는 시간 단위
컴퓨터의 모든 부품이 클럭 신호에 맞춰 작동한다.

2. 해석해야 할 명령어
CPU가 해석해야 할 명려어는 명령어 레지스터라는 특별한 레지스터에 저장된다.
이 명령어 레지스터로부터 해석할 명령어를 받아들이고 해석한 뒤, 제어 신호를 발생시켜 컴퓨터 부품들에 수행해야 할 내용을 알려준다.

3. 플래그 레지스터 속 플래그 값
플래그 값을 받아들이고 이를 참고하여 제어 신호를 발생시킨다.

4. 제어 버스로 전달된 제어 신호
제어 신호는 CPU뿐만 아니라 입출력장치를 비롯한 CPU 외부 장치도 발생시킬 수 있다.

제어장치가 내보내는 정보

제어장치는 크게 CPU 내부와 외부로 제어 신호를 보낸다.

CPU 외부

• 제어장치가 메모리에 저장된 값을 읽거나 메모리에 새로운 값을 쓰고 싶다면 메모리로 제어 신호를 내보낸다.
• 제어장치가 입출력장치의 값을 읽거나 입출력장치에 새로운 값을 쓰고 싶을 때는 입출력장치로 제어 신호를 내보낸다.

CPU 내부

• ALU에는 수행할 연산을 지시하기 위해 제어 신호를 내보낸다.
• 레지스터에는 레지스터 간에 데이터를 이동시키거나 레지스터에 저장된 명령어를 해석하기 위해 제어 신호를 내보낸다.

2. 레지스터

프로그램 속 명령어와 데이터는 실행 전후로 반드시 레지스터에 저장된다.
레지스터 속 값을 유심히 관찰하면 프로그램을 실행할 때 CPU 내에서 무슨 일이 벌어지고 있는지, 어떤 명령어가 어떻게 수행되는지 알 수 있다.

2.1 반드시 알아야 할 레지스터

• 프로그램 카운터
• 명령어 레지스터
• 메모리 주소 레지스터
• 메모리 버퍼 레지스터
• 플래그 레지스터
• 범용 레지스터
• 스택 포인터
• 베이스 레지스터

프로그램 카운터

프로그램 카운터(PC: Program Counter): 메모리에서 가져올 명령어의 주소, 즉 메모리에서 읽어 들일 명령어의 주소를 저장한다.

명령어 포인터(IP: Instruction Pointer)라고 부르는 CPU도 있다.

명령어 레지스터

명령어 레지스터(IR: Instruction Register): 해석할 명령어, 즉 방금 메모리에서 읽어 들인 명령어를 저장하는 레지스터

제어 장치는 명령어 레지스터 속 명령어를 받아들이고 이를 해석한 뒤 제어 신호를 내보낸다.

메모리 주소 레지스터

메모리 주소 레지스터(MAR: Memory Address Register): 메모리의 주소를 저장하는 레지스터

CPU가 읽어 들이고자 하는 주소 값을 주소 버스로 보낼 때 메모리 주소 레지스터를 거치게 된다.

메모리 버퍼 레지스터

메모리 버퍼 레지스터(MBR: Memory Buffer Register): 메모리와 주고받을 값(데이터와 명령어)을 저장하는 레지스터

• 메모리에 쓰고 싶은 값이나 메모리로부터 전달받은 값은 메모리 버퍼 레지스터를 거친다.
• CPU가 주소 버스로 내보낼 값이 메모리 주소 레지스터를 거친다면, 데이터 버스로 주고받을 값은 메모리 버퍼 레지스터를 거친다.
• 메모리 데이터 레지스터(MDR: Memory Data Register)라고도 불린다.

프로그램이 실행하는 과정
2~6가 인출 사이클의 과정이다.

1. CPU로 실행할 프로그램이 1000번지부터 1500번지까지 저장되어 있다고 가정한다. 그리고 1000번지에는 1101(2)이 저장되어 있다고 가정한다.

2. 프로그램을 처음부터 실행하기 위해 프로그램 카운터에는 1000이 저장된다. 이는 메모리에서 가져올 명령어가 1000번지에 있다는 걸 의미한다.

3. 1000번지를 읽어 들이기 위해서 주소 버스로 1000번지를 내보내야 한다. 이를 위해 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.

7. 제어장치는 명령어 레지스터의 명령어를 해석하고 제어 신호를 발생시킨다.

CPU가 메모리 속 프로그램을 순차적으로 읽어 들이고 실행해 나갈 수 있는 이유는 CPU 속 프로그램 카운터가 지속적으로 증가하며 계속해서 다음 명령어를 읽어 들일 준비를 하기 때문이다.

범용 레지스터

범용레지스터(general purpose register)는 이름 그대로 다양하고 일반적인 상황에서 자유롭게 사용할 수 있는 레지스터

메모리 버퍼 레지스터는 데이터 버스로 주고받을 값만 저장하고, 메모리 주소 레지스터는 주소 버스로 내보낼 주소값만 저장하지만, 범용 레지스터는 데이터와 주소를 모두 저장할 수 있다.

일반적으로 CPU 안에는 여러 개의 범용 레지스터들이 있고, 현재 대다수 CPU는 모두 범용 레지스터를 가지고 있다.

플래그 레지스터

플래그 레지스터(flag register)는 연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보를 저장하는 레지스터

2.2 특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식(1): 스택 주소 지정 방식

스택 포인터

스택 포인터(stack pointer): 스택의 꼭대기(마지막)를 가리키는 레지스터
스택 주소 지정 방식: 스택과 스택 포인터를 이용한 주소 지정 방식

스택 영역은 메모리안에 스택처럼 사용할 영역이 정해져 있다.

2.3 특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식(2): 변위 주소 지정 방식

변위 주소 지정 방식(displacement addressing mode): 오퍼랜드 필드의 값(변위)과 특정 레지스터의 값을 더하여 유효주소를 얻어내는 주소 지정 방식

변위 주소 지정 방식을 사용하는 명령어는 연산 코드 필드, 어떤 레지스터의 값과 더할지를 나타내는 레지스터 필드, 그리고 주소를 담고 있는 오퍼랜드 필드가 있다.

오퍼랜드 필드의 주소와 어떤 레지스터를 더하는지에 따라 상대주소 지정 방식, 베이스 레지스터 주소 지정 방식 등으로 나뉜다.

상대 주소 지정 방식

상대 주소 지정 방식(relative addressing mode): 오퍼랜드와 프로그램 카운터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식

프로그램 카운터에는 읽어 들일 명령어의 주소가 저장되어 있다.

만약 오퍼랜드가 -3였다면 CPU는 읽어 들이기로 한 명령어로부터 '세 번째 이전' 번지로 접근한다.

반면, 오퍼랜드가 3이었다면 읽어 들이기로 한 명령어로 부터 '세 번째 이후' 번지로 접근한다.

상대 주소 지정 방식은 프로그래밍 언어의 if문과 유사하게 모든 코드를 실행하는 것이 아닌, 분기하여 특정 주소의 코드를 실행할 때 사용된다.

베이스 레지스터 주소 지정 방식

베이스 레지스터 주소 지정 방식(base-register addressing mode): 오퍼랜드와 베이스 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식

베이스 레지스터는 '기준 주소', 오퍼랜드는 '기준 주소로부터 떨어진 거리'로서의 역할을 한다.

베이스 레지스터 주소 지정 방식은 베이스 레지스터 속 기준 주소로부터 얼마나 떨어져 있는 주소에 접근할 것인지를 연산하여 유효 주소를 얻어내는 방식

만약 베이스 레지스터에 200이라는 값이 있고 오퍼랜드가 40
→ 기준 주소 200번지로부터 40만큼 떨어진 240번지로 접근하라

3. 명령어 사이클과 인터럽트

3.1 명령어 사이클

명령어 사이클(instruction cycle): 하나의 명령어를 처리하는 정형화된 흐름(과정)

프로그램은 수많은 명령어로 이루어져 있고, CPU는 이 명령어들을 하나씩 수행한다. 프로그램 속 각각의 명령어들은 명령어 사이클이 반복되며 실행된다.


명령어 사이클 과정

• 1. 인출 사이클(fetch cycle): 메모리에 있는 명령어를 CPU로 가지고 오는 단계
     인출 사이클의 과정
• 2. 실행 사이클(execution cycle): CPU로 가져온 명령어를 실행하는 단계
     제어장치가 명령어 레지스터에 담긴 값을 해석하고, 제어 신호를 발생시키는 단계

프로그램을 이루는 수많은 명령어는 일반적으로 인출과 실행사이클을 반복하며 실행한다.
하지만 인출 후에 바로 실행할 수 없는 경우도 있다.
→ 간접 주소 지정 방식은 오퍼랜드 필드에 유효 주소의 주소를 명시하기 때문에 명령어를 실행하려면 메모리 접근을 한 번 더 해야 한다.

• 3. 간접 사이클(indirect cycle): 메모리 접근이 더 필요한 단계

3.2 인터럽트

인터럽트(interupt): CPU를 방해하는 신호

인터럽트의 종류에는 크게 동기 인터럽트와 비동기 인터럽트가 있다.

동기 인터럽트(synchronous interrupts): CPU에 의해 발생하는 인터럽트
CPU가 실행하는 프로그래밍상의 오류와 같은 예외적인 상황에 마주쳤을 때 발생하는 인터럽트라서 예외(exception)라고 부른다.

비동기 인터럽트(asynchronous interrupts): 입출력장치에 의해 발생하는 인터럽트

알림 역할을 한다.

• CPU가 프린터와 같은 입출력장치에 입출력 작업을 부탁하면 작업을 끝낸 입출력장치가 CPU에 완료 알림(인터럽트)을 보낸다.

• 키보드, 마우스와 같은 입출력장치가 어떠한 입력을 받아들였을 때 이를 처리하기 위해 CPU에
  입력 알림(인터럽트)을 보낸다.

일반적으로 비동기 인터럽트를 인터럽트라 칭하지만 혼동을 방지하기 위해 하드웨어 인터럽트라는 용어를 사용하겠다.

3.3 하드웨어 인터럽트

하드웨어 인터럽트는 알림과 같은 인터럽트다.

CPU는 입출력 작업 도중에도 효율적으로 명령어를 처리하기 위해 하드웨어 인터럽트를 사용한다.
→ 입출력 장치는 CPU보다 속도가 현저히 느리기 때문에 CPU는 입출력 작업의 결과를 바로 받아볼 수 없다.
→ 하드웨어 인터럽트를 사용하지 않는다면 CPU는 프린터가 언제 프린트를 끝낼지 모르기 때문에 주기적으로 프린터의 완료 여부를 확인해야 한다.

하드웨어 인터럽트 처리 순서

1. 입출력장치는 CPU에 인터럽트 요청 신호를 보낸다.

인터럽트는 CPU의 정상적인 실행 흐름을 끊는 것이기에 다른 누군가가 인터럽트하기 전에 CPU에게 물어봐야 한다.

2. CPU는 실행 사이클이 끝나고 명령어를 인출하기 전 항상 인터럽트 여부를 확인한다.

3. CPU는 인터럽트 요청을 확인하고 인터럽트 플래그를 통해 현재 인터럽트를 받아들일 수 있는지 여부를 확인한다.

CPU가 인터럽트 요청을 수용하기 위해서는 플래그 레지스터의 인터럽트 플래그(interrupt flag)가 활성화되어 있어야 한다.

• CPU가 중요한 작업을 처리해야 하거나 어떤 방해도 받지 않아야 할 때 인터럽트 플래그는 불가능으로 설정된다
  → 불가능으로 설정되어 있다면 CPU는 인터럽트 요청이 오더라도 무시한다.

• 인터럽트 플래그가 가능으로 설정되어 있다면 CPU는 인터럽트 요청 신호를 받아들이고 인터럽트를 처리한다.

  다만, 모든 하드웨어 인터럽트를 인터럽트 플래그로 막을 수 있는 것은 아니다. 무시할 수 없는 하드웨어 인터럽트는 가장 우선순위가 높은, 정전이나 하드웨어 고장으로 인한 가장 먼저 처리해야 할 인터럽트다.

4. 인터럽트를 받아들일 수 있다면 CPU는 지금까지의 작업을 백업한다.

CPU는 인터럽트를 처리하기 전에 프로그램 카운터 값 등 현재 프로그램을 재개하기 위해 필요한 모든 내용을 스택에 백업한다.

그러고 나서 인터럽트 서비스 루틴의 시작 주소가 위치한 곳으로 프로그램 카운터 값을 갱신하고 인터럽트를 처리한다.

5. CPU는 인터럽트 벡터를 참조하여 인터럽트 서브 루틴을 실행한다.

인터럽트 서비스 루틴(ISR: Interrupt Service Routine): 인터럽트를 처리하기 위한 프로그램

인터럽트 핸들러(interrupt handler)라고도 부른다.

'마우스가 어떤 인터럽트 요청을 보냈을 때는 어떻게 작동한다'
'프로그램에 어떤 문제가 생겼을 때는 어떻게 작동한다'
와 같이 어떤 인터럽트가 발생했을 때 어떻게 처리하고 작동해야 할지에 대한 정보로 이루어진 프로그램이다.

인터럽트 서비스 루틴도 여느 프로그램과 마찬가지로 명령어와 데이터로 이루어져있기 때문에 프로그램 카운터를 비롯한 레지스터들을 사용하여 실행된다.

'CPU가 인터럽트를 처리한다'
= '인터럽트 서비스 루틴을 실행하고, 본래 수행하던 작업으로 다시 되돌아온다'

인터럽트 벡터(interrupt vector): 인터럽트 서비스 루틴을 식별하기 위한 정보

인터럽트 벡터를 알면 인터럽트 서비스 루틴의 시작 주소를 알 수 있다.

• CPU는 하드웨어 인터럽트 요청을 보낸 대상으로부터 데이터 버스를 통해 인터럽트 벡터를 전달받는다.

6. 인터럽트 서비스 루틴 실행이 끝나면 4에서 백업해 둔 작업을 복구하여 실행을 재개한다.

명령어 사이클

예외의 종류

예외의 종류에는 폴트, 트랩, 중단, 소프트웨어 인터럽트가 있다.

예외가 발생하면 CPU는 하던 일을 중단하고 해당 예외를 처리한다.
예외를 처리하고 나면 CPU는 다시 본래 하던 작업으로 되돌아와 실행을 재개한다.
→ 여기서 CPU가 본래 하던 작업으로 되돌아왔을 때 예외가 발생한 명령어부터 실행하느냐, 예외가 발생한 명령어의 다음 명령어부터 실행하느냐에 따라 폴트와 트랩으로 나뉜다.

폴트(fault): 예외를 처리한 직후 예외가 발생한 명령어부터 실행을 재개하는 예외

1. 예를들어 CPU가 한 명령어를 실행하려는데, 이 명령어를 실행하기위해 꼭 필요한 데이터가 메모리가 아닌 보조기억장치에 있다고 가정한다.
2. 프로그램이 실행되려면 반드시 메모리에 저장되어 있어야 하기에 CPU는 폴트를 발생시키고 보조기억장치로부터 필요한 데이터를 메모리로 가져와 저장한다.
3. 데이터를 가져온 후 CPU는 폴트가 발생한 그 명령어부터 실행한다.

트랩(trap): 예외를 처리한 직후 예외가 발생한 명령어의 다음 명령어부터 실행을 재개하는 예외
주로 디버깅할 때 사용된다.

1. 디버깅할 때 특정 코드가 실행되는 순간 프로그램의 실행을 멈추게 할 수 있다.
2. 트랩을 처리하고 나면, 프로그램은 다음 명령어부터 실행을 이어 나간다.

중단(abort): CPU가 실행 중인 프로그램을 강제로 중단시킬 수밖에 없는 심각한 오류를 발견했을 때 발생하는 예외

소프트웨어 인터럽트(software interrupt): 시스템이 호출했을 때 발생

마치며

프로그램을 실행만 해봤지 프로그램이 작동하는데 작동원리를 알고 좀 더 컴퓨터를 이해할 수 있었다.
포스팅 전에 인터럽트는 단순한 에러로 생각했었는데, 하드웨어 인터럽트의 필요성을 알게 되었다.

출처
혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제