시작에 앞서..
- CPU가 하나의 명령어를 처리하는 과정에는 어떤 정해진 흐름이 있고, CPU는 그 흐름을 반복하며 명령어들을 처리해 나갑니다. 이렇게 하나의 명령어를 처리하는 정형화된 흐름을
명령어 사이클이라고 합니다.- CPU는 정해진 흐름에 따라 명령어를 처리해 나가지만, 간혹 이 흐름이 끊어지는 상황이 발생합니다. 이를
인터럽트라고 합니다.
명령어 사이클
- 실행하는 프로그램은 수많은 명령어로 이루어져있다.
- CPU는 이 명령어들을 하나씩 수행한다.
- 이때 프로그램 속 각각의 명령어들은 일정한 주지가 반복되며 실행한다.
- 이 주기를
명령어 사이클이라고 한다.
ㄴ> 즉 프로그램 속 각각의 명령어들은 명령어 사이클이 반복되며 실행
예시 )
- 메모리에 저장된 명령어를 하나 실행한다고 가정.
- 명령어를 메모리에서 CPU로 가져와야함.
- 이게 명령어 사이클의 첫 번째 과정.
- 메모리에 있는 명령어를 CPU로 가져오는 단계를
인출 사이클이라고 한다.
레지스터에 02번부터 06번까지가 인출 사이클의 과정
- CPU로 명령어를 인출했다면 명령어를 실행한다.
- 이것이 명령어 사이클의 두 번째 과정
- CPU로 가져온 명령어를 실행하는 단계를
실행 사이클이라고 한다. - 제어장치가 명령어 레지스터에 담긴 값을 해석, 제어 신호를 발생시키는 단계가 실행 사이클
- 프로그램을 이루는 수많은 명령어는 일반적으로 인출과 실행 사이클을 반복하며 실행
- CPU는 프로그램 속 명령어를 가져오고 실행하고를 반복
이를 그림으로 표현하면
하지만 모든 명령어가 그렇지 않다. 예를 들어 간접 주소 지정 방식은 오퍼랜드 필드에 유효 주소의 주소를 명시한다. 이런 경우 명령어를 인출하여 CPU로 가져왔다 하더라도 바로 실행 사이클에 돌입할 수 없다.
- 명령어를 실행하기 위해 메모리 접근을 한 번 더 해야 하기 때문
- 이 단계를
간접 사이클이라고 함
인터럽트
- 사전적 의미는 '방해하다, 중단시키다'
- CPU의 작업을 방해하는 신호를
인터럽트라고 한다. - 인터럽트 종류에는 크게 동기 인터럽트와 비동기 인터럽트가 있다.
동기 인터럽트
- CPU에 의해 발생하는 인터럽트
- CPU가 명령어들을 수행하다가 예상치 못한 상황이 마주쳤을 때,
CPU가 실행하는 프로그래밍상의 오류와 같은 에외적인 상황에 마주쳤을 때 발생하는 인터럽트가동기 인터럽트 - 동기 인터럽트는
예외라고 부르기도 함
비동기 인터럽트
- 주로 입출력장치에 의해 발생하는 인터럽트
- 알람과 같은 알림 역할을 한다.
- 일반적으로 비동기 인터럽트를 인터럽트라 함
- 하드웨어 인터럽트라고도 한다.
하드웨어 인터럽트
- 알림과 같은 인터럽트
- CPU는 입출력 작업 도중에 효율적으로 명령어를 처리하기 위해 이런 알림과 같은 하드웨어 인터럽트를 사용
하드웨어 인터럽트 처리순서
- 입출력장치는 CPU에 인터럽트 요청 신호를 보냄
- CPU는 실행 사이클이 끝나고 명령어를 인출하기 전 항상 인터럽트 여부를 확인
- CPU는 인터럽트 요청을 확인하고
인터럽트 플래그를 통해 현재 인터럽트를 받아들일 수 있는지 여부 확인 - 인터럽트를 받아들일 수 있다면 CPU는 지금까지의 작업을 백업
- CPU는
인터럽트 벡터를 참조하여인터럽트 서비스 루틴을 실행 - 인터럽트 서비스 루틴 실행이 끝나면 4번에서 백업해둔 작업을 복구해 실행을 재개
인터럽트 요청 신호 : 플래그 레지스터의
인터럽트 플래그가 활성화 되어 있어야 한다. 인터럽트 플래그는 말 그대로 하드웨어 인터럽트를 받아들일지, 무시할지를 결정하는 플래그입니다. CPU가 중요한 작업을 처리해야 하거나 어떤 방해도 받지 않아야 할 때 인터럽트 플래그는 불가능으로 설정됩니다. 만약 인터럽트 플래그가 '불가능'으로 설정되어 있다면 CPU는 인터럽트 요청이 오더라도 해당 요청을 무시합니다. 반대로 인터럽트 플래그가 '가능'으로 설정되어 있다면 CPU는 인터럽트 요청 신호를 받아들이고 인터럽트를 처리합니다.
다만, 모든 하드웨어 인터럽트를 인터럽트 플래그로 막을 수 있는 것은 아니다. 인터럽트 플래그가 불가능으로 설정되어 있어도 무시할 수 없는 인터럽트 요청이 있다. 무시할 수 없는 하드웨어 인터럽트는 가장 우선순위가 높은, 반드시 가장 먼저 처리해야 하는 인터럽트입니다. 정전이나 하드웨어 고장으로 인한 인터럽트가 이에 해당한다.
※ 하드웨어 인터럽트에는 인터럽트 플래그로 막을 수 있는 인터럽트와 막을 수 없는 인터럽트가 있다.
CPU가 인터럽트 요청을 받아들이기로 했다면 CPU는 인터럽트 서비스 루틴이라는 프로그램을 실행한다. 인터럽트 서비스 루틴
인터럽트 서비스 루틴 : 인터럽트를 처리하기 위한 프로그램이를 인터럽트 핸들러라고도 부른다. 인터럽트 서비스 루틴은 '키보드가 어떤 인터럽트 요청을 보냈을 때는 어떻게 작동한다.', '마우스가 어떤 인터럽트 요청을 보냈을 때는 어떻게 작동한다.', '프로그램에 어떤 문제가 생겼을 때는 어떻게 작동한다.'와 같이 어떤 인터럽트가 발생했을 때 해당 인터럽트를 어떻게 처리하고 작동해야 할지에 대한 정보로 이루어진 프로그램이다.
- CPU가 인터럽트를 처리한다 -> 인터럽트 서비스 루틴을 실행하고, 본래 수행하던 작업으로 다시 되돌아온다.라는 말과 같다.
인터럽트를 처리하는 방법은 입출력장치마다 다르므로 각기 다른 서비스 루틴을 가지고 있다. 메모리위에는 위 그림처럼 여러 개의 인터럽트 서비스 루틴이 저장되어 있다. 이들 하나하나가 '인터럽트가 발생하면 어떻게 행동해야 할지를 알려주는 프로그램'이라고 보면 된다.
CPU는 수많은 인터럽트 서비스 루틴을 구분하기 위해 인터럽트 벡터를 이용한다.
인터럽트 벡터 : 인터럽트 서비스 루틴을 식별하기 위한 정보
인터럽트 벡터를 알면 인터럽스 서비스 루틴의 시작 주소를 알 수 있다.
CPU는 인터럽트 벡터를 통해 특정 서비스 루틴을 처음부터 실행 할 수 있다.
※ CPU는 하드웨어 인터럽트 요청을 보낸 대상으로부터 데이터 버스를 통해 인터럽트 벡터를 전달 받는다.CPU가 작업을 수행하는 도중 키보드 인터럽트가 발생한 경우라면 CPU는 인터럽트 벡터를 참조하여 키보드 인터럽트 서비스 루틴의 시작 주소를 알아내고, 이 시작 주소부터 실행해 나가며 키보드 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.
정리
-
'CPU가 인터럽트를 처리함'이 말은 곧'인터럽트 서비스 루틴을 실행하고, 본래 수행하던 작업으로 다시 되돌아온다'그리고 CPU가 인터럽트 서비스 루틴을 실행하려면 인터럽트 서비스 루틴의 시작 주소를 알아야 하는데, 이는 인터럽트 벡터를 통해 알 수 있다. -
인터럽트 서비스 루틴은 명령어와 데이터로 이루어져있다. > 인터럽트 서비스 루틴도 프로그램 카운터를 비롯해 레지스터들을 사용하여 실행
-
인어럽트 서비스 루틴을 모두 실행하면( 인터럽트를 처리하고 나면) 스택에 저장해 둔 값을 다시 불러온 뒤 이전까지 수행하던 작업을 재개
-
인터럽트 요청 신호 : CPU의 작업을 방해하는 인터럽트에 대한 요청
-
인터럽트 플래그 : 인터럽트 요청 신호를 받아들일지 무시할지를 결정하는 비트
-
인터럽트 벡터 : 인터럽트 서비스 루틴의 시작 주소를 포함하는 인터럽트 서비스 루틴의 식별 정보
-
인터럽트 서비스 루틴 : 인터럽트를 처리하는 프로그램
CPU가 항상 명령어를 순차적으로 실행하는 것이 아니라 인터럽트를 처리하는 과정이 추가되어 명령어 사이클은 아래와 같이 반복하며 프로그램을 실행한다.
예외의 종류
추가로 동기 인터럽트에서 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 돌아와 실행한다. 여기서 CPU가 본래 하던 작업으로 되돌아 왔을 때 예외가 발생한 명령어로부터 실행하느냐, 예외가 발생한 명령어의 다음 명령어부터 실행하느냐에 따라 폴트와 트랩으로 나뉜다.
폴트 예외를 처리한 직후 예외가 발생한 명령어부터 실행을 재개하는 예외다.
ㄴ> CPU가 한 명령어를 실행하려 하는데, 이 명령어를 실행하기 위해 꼭 필요한 데이터가 메모리가 아닌 보조기억장치에 있다라고 가정하고 프로그램이 실행되려면 반드시 메모리에 저장되어 있어야 하기에 CPU는 폴트를 발생. 보조기억장치로부터 필요한 데이터를 메모리로 가져와 저장. 보조기억장치로부터 필요한 데이터를 메모리로 가지고 왔으면 CPU는 다시 실행을 할 수 있다 이때 CPU는 폴트가 발생한 그 명령어부터 실행합니다. 어떻게 예외 발생 직후 예외가 발생한 명령어부터 실행해 나가는 예외를 폴트라고함
한마디로 폴트는 예외처리 직후 예외가 발생한 명령어부터 실행을 재개하는 예외다.
트랩은 예외를 처리한 직후 예외가 발생한 명령어의 다음 명령어부터 실행을 재개하는 예외. 주로 디버깅할때 사용
중단은 CPU가 실행 중인 프로그램을 강제로 중단시킬 수밖에 없는 심각한 오류를 발견했을 때 발생하는 예외.
소프트웨어 인터럽트는 시스템 호출이 발생했을 때 나타난다. 시스템 호출은 나중에 게시글로 쓰겠다.
