04 CPU의 작동 원리

• ALU와 제어장치에 대해 학습합니다.
• 레지스터의 종류와 역할에 대해 학습합니다.
• 명령어 사이클을 이해합니다.
• 인터럽트의 개념을 이해합니다.

04-1 ALU와 제어장치

핵심 키워드: ALU, 플래그, 제어장치, 제어 신호

ALU

ALU가 받아 들이는 정보:

• 레지스터로부터 피연산자를 받아들임
• 제어장치로부터 수행할 연산을 알려주는 제어 신호

ALU가 내보내는 정보:

• 연산을 수행한 결과를 레지스터에 저장
• 연산 결과에 대한 추가적인 상태 정보를 플래그 (flag)라고 하는데, 이를 플래그 레지스터에 저장

플래그의 종류는 아래 표와 같습니다.

플래그 종류	의미	해석
부호 플래그	연산한 결과의 부호가 음수?	1 - 음수, 0 - 양수
제로 플래그	연산 결과가 0?	1 - 0임, 0 - 0이 아님
캐리 플래그	연산 결과 올림수나 빌림수가 발생함?	1 - 발생했음, 0 - 발생 안했음
오버플로우 플래그	오버플로우가 발생함?	1 - 발생했음, 0 - 발생 안했음
인터럽트 플래그	인터럽트 가능?	1 - 가능, 0 - 불가능
슈퍼바이저 플래그	커널 모드임? 사용자 모드임?	1 - 커널 모드임, 0 - 사용자 모드임

제어장치

제어장치가 받아들이는 정보:

• 클럭 신호
• 명령어 레지스터로부터 해석해야 할 명령어
• 플래그 레지스터로부터 플래그 값
• 제어버스를 통해 외부로부터 전달된 제어 신호

제어장치가 내보내는 정보:

• CPU 외부로 메모리에 전달하거나 입출력 장치에 전달
• CPU 내부로 ALU에 수행할 연산을 지시하거나, 레지스터 간 데이터를 이동시키거나 레지스터에 저장된 명령어를 해석하기 위해 제어 신호를 내보냄

04-2 레지스터

핵심키워드: 프로그램 카운터, 명령어 레지스터, 메모리 주소/버퍼 레지스터, 범용/플래그 레지스터, 스택 포인터, 베이스 레지스터

반드시 알아야 할 레지스터 8가지

프로그램 카운터

메모리에서 읽어 들일 명령어의 주소를 저장

명령어 레지스터

방금 메모리에서 읽어 들인 명령어를 저장

메모리 주소 레지스터

CPU가 읽어 들이고자 하는 주소 값을 주소 버스로 보낼 때 거침

메모리 버퍼 레지스터

메모리와 주고 받을 값을 저장, 데이터 버스로 주고 받을 값이 거침

아, 아직 감이 잘 안 오네요!

⭐ 책에 그림이 잘 나와 있습니다. 뒤에도 내용이 나오니 잘 익혀 둡시다.

1. 가정 A: 프로그램을 이루는 명령어들은 각각 하나의 메모리 번지를 점유하고 있다.

2. 가정 B: CPU로 실행할 프로그램이 1000번지부터 1500번지까지 저장되어 있다.

3. 가정 C: 첫 명령어가 1000번지에 1101(2)이 저장되어 있다.

4. 프로그램 카운터에 1000이 저장된다. - 메모리에서 가져올 명령어가 1000번지에 있다는 것을 의미합니다.

5. 메모리 주소 레지스터에 1000이 저장된다. - 주소 버스로 1000번지를 내보내야 합니다.

6. ‘메모리 읽기’ 제어 신호와 메모리 주소 레지스터 값이 각각 제어 버스와 주소 버스를 통해 메모리로 보내집니다.

7. 메모리 1000번지에 저장된 값은 데이터 버스를 통해 메모리 버퍼 레지스터로 전달되고, 프로그램 카운터는 증가됩니다.

8. 메모리 버퍼 레지스터의 값이 명령어 레지스터로 이동합니다.

9. 제어장치는 명령어 레지스터의 명령어를 해석하고 제어 신호를 발생시킵니다.

Reference) 순차적인 실행이 끊기는 경우

1. 특정 메모리 주소로 실행 흐름을 이동하는 명령어가 실행되었을 경우
2. 인터럽트가 발생하는 경우

범용 레지스터

다양하고 일반적인 상황에서 자유롭게 사용할 수 있는 레지스터

플래그 레지스터

ALU 연산 결과에 따른 플래그 - 즉, CPU 상태에 대한 부가적인 정보를 저장하는 레지스터

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

스택 포인터란 스택의 꼭대기를 가리키는 레지스터입니다. 즉, 스택 포인터는 스택에 마지막으로 저장한 값의 위치를 저장하는 레지스터입니다.

참고! 저도 컴퓨터 구조를 완벽히 아는 것이 아니고, 컴퓨터 구조에 대한 책을 많이 본 것이거나 전공이 아닙니다만, 스택에 데이터를 저장하면 +1의 다음 주소로 이동하는 것으로 알고 있습니다.

그래서 고드름 자라듯이 아래로 내려 가는 것으로 알고 있어서 새로 그림을 넣어 제 나름으로 이해한 것을 표현했습니다.

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

명령어의 오퍼랜드 필드의 값과 특정 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻어내는 주소 지정 방식

오퍼랜드 필드의 주소와 어떤 레지스터 내에 저장된 값을 더하는지에 따라 상대 주소 지정 방식, 베이스 레지스터 주소 지정 방식 등으로 나뉩니다.

상대 주소 지정 방식

프로그램 카운터의 값 + 오퍼랜드의 값 = 유효 주소의 값

베이스 레지스터 주소 지정 방식

베이스 레지스터의 값 (기준 주소의 역할) + 오퍼랜드의 값 = 유효 주소의 값

04-3 명령어 사이클과 인터럽트

핵심 키워드: 명령어 사이클, 인터럽트, 예외, 하드웨어 인터럽트, 인터럽트 서비스 루틴

명령어 사이클

명령어를 메모리에서 CPU로 가져와야 하는 인출 사이클 (fetch cycle) - 앞서 04 -2 레지스터에서 설명한 부분입니다!

CPU로 가져온 명령어를 실행하는 단계를 실행 사이클 (execution cycle)이라 하며, 제어장치가 명령어 레지스터에 담긴 값을 해석하고, 제어 신호를 발생시키는 단계 입니다.

명령어를 인출하여 CPU로 가져왔다 하더라도 바로 실행 사이클로 돌입할 수 없을 때가 있는데, 예를 들어, 간접 주소 지정 방식에서 봤듯이 오퍼랜드 필드에 유효 주소의 주소가 명시되어 있는 경우, 메모리 접근이 추가로 더 필요하기 때문입니다. 이 단계를 간접 사이클 (indirect cycle)이라 합니다.

인터럽트

CPU의 작업을 방해하는 신호를 통칭 인터럽트 (interrupt)라고 합니다.

그 중, 동기 인터럽트 (synchronous interrupt)는 CPU에 의해 발생하며 실행하는 프로그램 상의 오류와 같은 예외적인 상황에 마주쳤을 때 발생합니다. 즉, 예외 (exception)이라고 부릅니다.

비동기 인터럽트 (asynchronous interrupt)는 주로 입출력 장치에 의해 발생하는 인터럽트로, 용어의 혼동을 방지하기 위해 여기서는 하드웨어 인터럽트로 쓰겠습니다.

하드웨어 인터럽트 처리 순서

1. 입출력장치는 CPU에 인터럽트 요청 신호를 보냅니다.
2. CPU는 실행 사이클이 끝나고 명령어를 인출하기 전 항상 인터럽트 여부를 확인합니다.
3. CPU는 인터럽트 요청을 확인하고 플래그 레지스터의 인터럽트 플래그를 통해 현재 인터럽트를 받아들일 수 있는지 여부를 확인합니다.
4. 인터럽트를 받아들일 수 있다면 CPU는 지금까지의 작업을 백업합니다.
5. CPU는 인터럽트 벡터를 참조하여 인터럽트 서비스 루틴을 실행합니다.
6. 인터럽트 서비스 루틴 실행이 끝나면 백업해 둔 작업을 복구하여 실행을 재개합니다.

인터럽트 플래그가 인터럽트 불가능으로 표시되어 있더라도 무시할 수 없는 인터럽트 요청도 있습니다. - 예를 들어, 정전이나 하드웨어 고장으로 인한 인터럽트

인터럽트 서비스 루틴 (ISR: interrupt service routine) - 인터럽트 핸들러 (interrupt handler)라고도 하며 어떤 인터럽트가 발생했을 때 해당 인터럽트를 어떻게 처리하고 작동해야 할지에 대한 정보로 이루어진 프로그램입니다.

인터럽트 벡터 (interrupt vector)는 인터럽트 서비스 루틴을 식별하기 위한 정보로, 하드웨어 인터럽트 요청을 보낸 대상이 데이터 버스를 통해 전달합니다.

좀 더 알아보기: 예외의 종류

예외는 동기 인터럽트의 다른 말이었습니다. 이 예외의 종류는 크게 네 가지로 나눌 수 있습니다.

fault: 예외를 처리한 직후 예외가 발생한 명령어부터 실행을 재개하는 예외 - 예를 들어, 수행하고자 하는 명령어가 보조 기억 장치에 있는 경우, 메모리로 복사해 와서 실행해야 하므로, CPU는 예외를 일으켜 메모리로 복사해 온 후 프로그램을 재개

trap: 예외를 처리한 직후 예외가 발생한 명령어의 다음 명령어부터 실행을 재개하는 예외 - 예를 들어, 디버깅할 때

abort: 치명적인 오류가 발생하면 강제로 프로그램을 중단해야 합니다.

software interrupt: 시스템 호출이 발생했을 때 나타납니다.