[혼자 공부하는 컴퓨터구조+운영체제] "chapter4. CPU의 작동 원리"

4-1 ALU와 제어장치

ALU

ALU가 어떤 정보를 받아들이고 내보내는지 표현한 그림

 

ALU가 계산을 하기 위해서는 피연산자와 수행할 연산 필요.

ALU는 레지스터를와 제어장치로부터 받아들인 피연산자와 제어장치로 부터 수행할 연산을 알려주는 제어 신호로 산술 연산, 논리 연산 등 다양한 연산 수행.

 

ALU가 내보내는 정보.

연산을 수행한 결과는 특정 숫자, 문자, 메모리 주소. -> 결괏값 일시적 레지스터 저장.(프로그램 실행속도 때문) -> 계산 결과 + 플래그 값 내보냄.

 

오버플로우: 연산결과가 연산결과를 담을 레지스터보다 큰 상황.

 

ALU가 내보내는 플래그

플래그 종류	의미
부호 플래그	연산한 결과의 부호를 나타냄
제로 플래그	연산 결과가 0인지 여부를 나타냄
캐리 플래그	연산 결과 올림수나 빌림수가 발생했는지 나타냄
오버플로우 플래그	오버플로우가 발생했는지 나타냄
인터럽트 플래그	인터럽트가 가능한지 나타냄
슈퍼바이저 플래그	커널모드로 실행중인지, 사용자 모드로 실행중인지 나타냄

 

플래그들은 플래그 레지스터에 저장.

 

제어장치

1. 제어 장치는 클럭신호를 받아들임

-클럭: 컴퓨터의 모든 부품을 일사불란하게 움직일 수 있게 하는 시간 단위.

-레지스터에서 다른 레지스터로 데이터가 이동되거나, ALU에서 연산이 수행되거나, CPU가 메모리에 저장된 명령어를 읽어들이는 것.

2. 제어장치는 '해석해야 할 명령어'를 받아들임.

CPU가 해석해야 할 명령어는 명령어 레지스터에 저장.

 

3. 제어장치는 플래그 레지스터 속 플래그 값을 받아들임.

 

4. 제어장치는 시스템버스, 그중에서 제어 버스로 전달된 제어 신호를 받아들임.

-제어신호는 CPU뿐만 아니라 입출력 장치를 비롯한 CPU 외부 장치도 발생시킬 수 있음. 제어버스를 통해 외부로부터 전달된 제어 신호를 받아들이기도 함.

 

제어장치가 CPU 외부에 제어 신호 전달: 제어버스로 제어신호를 내보냄.

 -메모리에 전달하는 제어 신호: 메모리에 새로운 값을 쓸 때.

 -입출력장치에 전달하는 제어신호: 입출력장치의 값을 읽거나 입출력장치에 새로운 값을 쓰고 싶을 때.

제어장치가 CPU 내부에 제어 신호 전달

 -ALU에 전달하는 제어신호: ALU에 수행할 연산을 지시하기 위해.

 -레지스터에 전달하는 제어신호: 레지스터에는 레지스터 간에 데이터를 이동시키거나 저장된 명령어 해석하기 위해. 

 

 

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4-2 레지스터

레지스터 속 값을 관찰하면 프로그램 실행시 CPU 내부 상황 파악 가능, 명령어 수행 과정 파악 가능.

CPU 안에는 다양한 레지스터 존재, 각기 다른 역할.

 

레지스터

상용화된 CPU 속 레지스터들은 CPU마다 이름, 크기 종류 다양.

 

1. 프로그램 카운터 (=명령어 포인터)

메모리에서 가져올 명령어 주소, 메모리에서 읽어 들일 명령어 주소 저장.

 

2. 명령어 레지스터

해석할 명령어, 메모리에서 읽어들인 명령어 저장.

 

3. 메모리 주소 레지스터

메모리의 주소를 저장. CPU가 읽어 들이고자 하는 주소값을 주소버스로 보낼 때 거치는 수단.

 

4. 메모리 버터 레지스터

메모리와 주고 받을 값(데이터, 명령어)을 저장.

CPU가 주소 버스로 내보낼 값이 메모리 주소 레지스터 거친다면, 데이터 버스로 주고 받을 값은 메모리 버퍼 레지스터 거침.

 

CPU로 실행할 프로그램 저장.

프로그램을 처음부터 실행하기 위해 프로그램 카운터에 저장. 메모리에서 가져올 명령어 주소 의미.

주소버스로 주소 내보냄. 메모리 주소 레지스터에 저장.

메모리 읽기 제어신호와 메모리 주소 레지스터 값 각각 제어버스와 주소버스를 통해 메모리에 보내짐.

메모리에 저장된 값은 데이터 버스를 통해 메모리 버퍼 레지스터로 전달. 프로그램 카운터 증가돼 다음 명령어 읽어 들일 준비.

메모리 버터 레지스터에 저장된 값 명령어 레지스터로 이동.

제어장치는 명령어 레지스터의 명령어 해석하고 제어신호 발생.

CPU가 메모리 속 프로그램을 순차적으로 읽어 들이고 실행해 나갈 수 있는 이유는 CPU 속 프로그램 카운터가 꾸준히 증가하기 때문.

 

>프로그램이 차례대로 실행되지 않는 경우

명령어(JUMP, CONDITIONAL JUMP, CALL, RET)과 같이 특정 메모리 주소로 실행 흐름을 이동하는 명령어가 실행되었을 때. 이런 경우 프로그램 카운터에는 변경된 주소 저장.

인터럽트가 발생했을 때.

 

5. 범용 레지스터

다양하고 일반적인 상황에서 자유롭게 사용할 수 있는 레지스터.

데이터와 주소 모두 저장.

CPU 안에는 여러개 범용 레지스터 존재.

 

6. 플래그 레지스터

연산결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보 저장하는 레지스터.

 

특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식(1): 스택 주소 지정 방식

7. 스택포인터

스택주소 지정방식이라는 주소 지정 방식에 사용. 스택의 꼭대기를 가리키는 레지스터. 스택에 마지막으로 저장한 값의 위치 저장. 스택의 어디까지 데이터가 채워져 있는지에 대한 표시.

-스택 주소 지정 방식: 스택과 스택 포인터를 이용한 주소 지정 방식.

-스택영역: 스택은 메모리 내부 존재. 스택처럼 사용할 영역이 정해져 있음.

 

특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식(2): 변위 주소 지정 방식

오퍼랜드 필드 값(변위)과 특정 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻어내는 주소 지정 방식

오퍼랜드 필드의 주소와 어떤 레지스터를 더하는지에 따라 상대 주소 지정 방식, 베이스 레지스터 주소 지정 방식으로 나뉨.

 

-상대 주소 지정 방식: 오퍼랜드와 프로그램 카운터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식

                                  프로그램 카운터에는 읽어 들일 명령어의 주소 저장.

                                  프로그램 언어의 if 문과 유사. 분기하여 특정 주소의 코드를 실행할 때 사용.

 

-베이스 레지스터 주소 지정 방식: 오퍼랜드와 베이스 레지스터의 값을 더하여 유효 주소 얻는 방식.

                                                  베이스 레지스터 속 기준 주소로부터 얼마나 떨어져 있는 주소에 접근할 것인지 연산하여 유효 주소 얻어내는 방식

 베이스 레지스터: 기준 주소

 오퍼랜드: 기준 주소로부터 떨어진 거리

 

 

 

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4-3 명령어 사이클과 인터럽트

CPU가 하나의 명령어 처리하는 과정에는 정해진 흐름을 반복하며 명령어 처리함.

간혹 이 흐름이 끊어지는 상황 발생.

 

명령어 사이클

프로그램 속 각각의 명령어들은 일정한 주기(명령어 사이클)가 반복되며 실행.

명령어 사이클: 프로그램 속 명령어들을 실행하는 주기.

 

명령어 사이클 과정

1. 인출 사이클

메모리에 있는 명령어를 CPU를 가지고 오는 단계. 

 

2. 실행 사이클

CPU로 인출한 명령어를 실행.

제어 장치가 명령어 레지스터에 담긴 값을 해석하고, 제어 신호를 발생시키는 단계.

 

명령어는 인출과 실행사이클 반복하며 실행.

 

하지만 명령어를 CPU로 가져왔어도 곧바로 실행할 수 없는 경우 있음.

3. 간접 사이클

명령어를 인출하여 CPU로 가져왔다 하더라도 바로 실행 사이클에 돌입하지 못하고 메모리 접근을 한 번 더 해야함.

 

 

인터럽트

CPU의 작업을 방해하는 신호.

CPU가 꼭 주목해야 할 때. CPU가 빨리 처리해야 할 다른 작업이 생겼을 때.

 

-동기 인터럽트 (=예외)

CPU에 의해 발생하는 인터럽트.

-비동기 인터럽트 (하드웨어 인터럽트)

입출력장치에 의해 발생하는 인터럽트.

알림과 같은 인터럽트. CPU는 입출력 작업 도중에도 효율적으로 명령어를 처리하기 위해 이런 알림과 같은 하드웨어 인터럽트 사용.

CPU는 프린터로부터 프린트 완료 인터럽트 받을 때까지 다른 작업 처리 가능.

 

하드웨어 인터럽트 처리 순서.

1. 입출력 장치는 CPU에 인터럽트 요청 신호 보냄.

2. CPU는 실행 사이클 끝나고 명령어 인출하기 전 항상 인터럽트 여부 확인.

3. CPU는 인터럽트 요청을 확인하고 인터럽트 플래그 통해 현재 인터럽트 수행 여부 확인.

4. 인터럽트 받아들일 수 있다면 CPU는 지금까지의 작업 백업.

5. CPU는 인터럽트 벡터를 참조하여 인터럽트 서비스 루틴 실행.

6. 인터럽트 서비스 루틴 실행 끝나면 4에서 백업해 둔 작업 복구하여 실행 재개.

 

-인터럽트 요청 신호: CPU가 인터럽트 요청을 수용하기 위해서는 플래그 레지스터인 인터럽트 플래그가 활성화 되어야 함.

                                불가능 설정이면 CPU는 인터럽트 요청오면 해당 요청 무시.

                                가능 설정이면 CPU는 인터럽트 요청 승인, 인터럽트 처리.

                                무시할 수 없는, 가장 우선순위가 높은 인터럽트 요청은 하드웨어 인터럽트.

 

-인터럽트 서비스 루틴(=인터럽트 핸들러): 인터럽트 처리하기 위한 프로그램. 어떻게 처리하고 작동해야 할지에 대한 정보로 이루어짐.

"CPU가 인터럽트 처리한다"        =>        인터럽트 서비스 루틴을 실행하고, 본래 수행하던 작업으로 다시 되돌아 온다.

 

-인터럽트 벡터: 인터럽트 서비스 루틴을 식별하기 위한 정보. 인터럽트 서비스 루틴의 시작 주소를 알 수 있기 때문에 CPU는 인터럽트 벡터를 통해 특정 인터럽트 서비스 루틴을 처음부터 실행 가능.

 

인터럽트 서비스 루틴은 명령어와 데이터로 이루어짐. 프로그램 카운터를 비롯한 레지스터들을 사용하며 실행.

인터럽트가 발생하기 전까지 레지스터에 저장되어 있었던 값, 수행하고 있었던 일은 인터럽트 서비스 루틴이 끝나면 되돌와서 마저 수행해야하기 때문에 스택에 백업. 인터럽트 서비스 루틴의 시작주소가 위치한 곳으로 프로그램 카운터 값을 갱신하고 인터럽트 서비스 루틴을 실행.

 

"인터럽트 서비스 루틴을 모두 실행하면 인터럽트를 처리하고 스택에 저장해둔 값을 다시 불러와 이전까지 수행하던 작업 재개"

 

 

 

 

 

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출처

https://hongong.hanbit.co.kr/%ec%bb%b4%ed%93%a8%ed%84%b0-%ea%b5%ac%ec%a1%b0-%ec%9a%b4%ec%98%81%ec%b2%b4%ec%a0%9c/

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