CPU가 하나의 명령어를 처리하는 과정에는 어떤 정해진 흐름이 있고, CPU는 그 흐름을 반복하며 명령어들을 처리해나가. 이렇게 하나의 명령어를 처리하는 정형화된 흐름을 명령어 사이클이라고 해.
CPU는 정해진 흐름에 따라 명령어를 처리해 나가지만, 간혹 이 흐름이 끊어질 때도 있어. 이를 인터럽트라고 해.
명령어 사이클이란 뭘까?
우리가 실행하는 프로그램은 수많은 명령어로 이루어져 있고, CPU는 이 명령어들을 하나씩 실행해.
이때 프로그램 속 각각의 명령어 들이 일정한 주기가 반복되며 실행되는데 이 주기를 명령어 사이클이라고 해.
명령어 사이클은 1.인출 사이클, 2.실행 사이클, 3.간접 사이클로 나뉘어.
1. 인출 사이클: 메모리에 저장된 명령어를 메모리에서 CPU로 가져오는 과정
2. 실행 사이클: CPU로 가져온 명령어를 실행하는 단계. 제어장치가 명령어 레지스터에 담긴 값을 해석하고, 제어 신호를 발생시키는 단계가 실행 사이클.
3. 간접 사이클: 간접 주소 방식 등으로 메모리에 한번 더 접근해야 하는 과정.
그러나 명령어 사이클은 인터럽트를 고려해야해
인터럽트란 뭘까?
인터럽트는 CPU가 수행 중인 작업을 방해하는 신호야. CPU가 작업을 잠시 중단해야할 정도라면 인터럽트는 "CPU가 꼭 주목해야할 때", "CPU가 얼른 처리해야 할 다른 작업이 생겼을 때" 발생하지.
인터럽트는 크게 동기 인터럽트와 비동기 인터럽트로 나뉘어
동기 인터럽트(예외)
동기 인터럽트는 CPU에 의해 발생하는 인터럽트야.
주로 CPU가 명령어를 수행하다가 예상치 못한 상황에 마주쳤을 때나, CPU가 실행하는 프로그래밍 상에서 오류와 같은 예외적인 상황에 마주쳤을 때 발생하지.
비동기 인터럽트(하드웨어 인터럽트)
비동기 인터럽트는 주로 입출력 장치에 의해 발생하는 인터럽트야. 예를 들어 세탁기 완료 알림, 전자레인지 조리 완료 알림과 같은 알림 역할을 해
프린터
CPU가 프린터와 같은 입출력 장치에 입출력 작업을 부탁하면 작업을 끝낸 입출력 장치가 CPU에 완료 알림(인터럽트)를 보내.
키보드, 마우스
키보드, 마우스와 같은 입출력 장치가 어떠한 입력을 받아들였을 때, 이를 처리하기 위해 CPU에 입력 알림(인터럽트)를 보내.
하드웨어 인터럽트를 이용하면 CPU는 프린터로부터 프린트 완료 인터럽트를 받을 때까지 다른 작업을 처리할 수 있어.
입출력 작업 중에도 CPU로 하여금 효율적으로 명령어를 처리할 수 있게 만들지.
하드웨어 인터럽트 처리순서
- 입출력 장치가 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 여부를 확인
- 인터럽트를 받아들일 수 있다면 CPU는 지금까지의 작업을 백업함.
- CPU는 인터럽트 벡터를 참조하여 인터럽트 서비스 루틴을 실행
- 인터럽트 서비스 루틴 실행이 끝나면 4에서 백업해둔 작업을 복구하여 실행을 재개함.
CPU가 인터럽트 요청을 수용하기 위해서는 플래그 레지스터의 인터럽트 플래그가 활성화 되어있어야 해.
인터럽트 플래그가 '가능', '불가능' 어떻게 설정 되어있냐에 따라 인터럽트를 처리한다는 거지.
그러나 인터럽트 플래그로 막을 수 없는 하드웨어 인터럽트도 있어. 즉 '막을 수 있는 인터럽트', '막을 수 없는 인터럽트'로 나뉘어. 정전이나 하드웨어 고장으로 인한 인터럽트가 못막는 인터럽트야.
인터럽트 서비스 루틴
CPU가 인터럽트 요청을 받아들이기로 했다면 CPU는 인터럽트 서비스 루틴이라는 프로그램을 실행해.
입출력 장치마다 인터럽트 처리하는 방법이 다르니 각각 다른 인터럽트 서비스 루틴이 필요하겠지? 그러면 CPU는 각기 다른 인터럽트 서비스 루틴을 구분할 수 있어야해. 그래서 CPU는 인터럽트 벡터를 사용해. 인터럽트 벡터는 서비스 루틴을 식별하기 위한 정보이지.
인터럽트 서비스 루틴 중 백업
인터럽트를 수행하면서 이전 수행 내역을 백업해야한다고 했지. 그래서 CPU는 인터럽트 요청을 받기 전에 프로그램 카운터 값 등 현재 프로그램을 재개하기 위한 모든 내용을 스택에 백업해둬. 그리고 나서 인터럽트 서비스 루틴의 시작주소가 위치한 곳으로 프로그램 카운터 값을 갱신하고 인터럽트 서비스 루틴을 실행해.
CPU의 인터럽트 사이클을 포함한 명령어 사이클은 이렇게 생겼어
