[ 혼자 공부하는 컴퓨터구조 + 운영체제 ] Chapter04. CPU의 작동 원리

04-1. ALU와 제어장치

CPU는 메모리에 저장된 명령어를 읽어 들이고, 해석하고, 실행하는 장치이다.

CPU 내부에는 계산을 담당하는 ALU, 명령어를 읽어 들이고 해석하는 제어장치, 작은 임시 저장 장치인 레지스터로 구성되어 있다.

(1) ALU

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

이를 통해 산술 연산, 논리 연산 등 다양한 연산을 수행한다.

연산을 수행한 결과는 특정 숫자나 문자가 될 수도 있고, 메모리 주소가 될 수도 있다. 이 결괏값은 바로 메모리에 저장되지 않고 일시적으로 레지스터에 저장된다.

CPU가 메모리에 접근하는 속도는 레지스터에 접근하는 속도보다 훨씬 느리기 때문에, ALU가 연산할 때마다 결과를 메모리에 저장한다면 CPU 메모리에 자주 접근하게 되고, 이는 CPU가 프로그램 실행 속도를 늦출 수 있기 때문이다.

 

플래그(flag): 연산 결과에 대한 추가적인 상태 정보 ALU는 계산 결과와 더불어 플래그를 내보내고, 플래그 레지스터라는 레지스터에 저장된다.

 

ALU가 내보내는 대표적인 플래그는 아래와 같다.

 

※ 오버플로우(overflow): 연산 결과가 연산 결과를 담을 레지스터보다 큰 상황

 

(2) 제어장치

제어장치: 제어 신호를 내보내고, 명령어를 해석하는 부품

제어 신호: 컴퓨터 부붐들을 관리하고 작동시키기 위한 일종의 전기 신호

 

1. 제어장치는 클럭 신호를 받아들인다.

클럭(clock): 컴퓨터의 모든 부품을 일사불란하게 움직일 수 있게 하는 시간 단위

클럭의 주기에 맞춰 한 레지스터에서 다른 레지스터로 데이터가 이동되거나, ALU에서 연산이 수행되거나, CPU가 메모리에 저장된 명령어를 읽어 들인다.

다만, 클럭 신호에 맞춰 작동하는 것이지 한 클럭마다 반드시 작동하는 것은 아니다.

 

2. 제어장치는 '해석해야 할 명령어'를 받아들인다.

CPU가 해석해야 할 명령어는 명령어 레지스터에 저장된다.

제어장치는 명령어 레지스터로부터 해석할 명령어를 받아들이고 해석한 뒤, 제어 신호를 발생시켜 컴퓨터 부품들에 수행해야 할 내용을 알려준다.

 

3. 제어장치는 플래그 레지스터 속 플래그 값을 받아들인다.

제어장치는 플래그 값을 받아들이고 이를 참고하여 제어 신호를 발생시킨다.

 

4. 제어장치는 시스템 버스, 그중에서 제어 버스로 전달된 제어 신호를 받아들인다.

제어신호는 CPU뿐만 아니라 입출력장치를 비롯한 CPU 외부 장치도 발생시킬 수 있다. 제어장치는 제어 버스를 통해 외부로부터 전달된 제어 신호를 받아들이기도 한다.

 

제어장치는 CPU 외부와 내부로 제어 신호를 내보낸다.

- 메모리에 저장된 값을 읽거나 메모리에 새로운 값을 쓰고 싶을 때 → 메모리로 제어 신호를 내보낸다.

- 입출력장치의 값을 읽거나 입출력장치에 새로운 값을 쓰고 싶을 때 → 입출력장치로 제어 신호를 내보낸다.

- 수행할 연산을 지시 → ALU로 제어 신호를 내보낸다. 

- 레지스터 간에 데이터를 이동시키거나 레지스터에 저장된 명령어를 해석  → 레지스터로 제어 신호를 내보낸다.

 

 

04-2. 레지스터

(1) 반드시 알아야 할 레지스터

1. 프로그램 카운터(= 명령어 포인터)

: 메모리에서 가져올 명령어의 주소, 즉 메모리에서 읽어 들일 명령어의 주소를 저장

 

2. 명령어 레지스터

: 해석할 명령어, 즉 방금 메모리에서 읽어 들인 명령어를 저장

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

 

3. 메모리 주소 레지스터

: 메모리의 주소를 저장하는 레지스터

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

 

4. 메모리 버퍼 레지스터(= 메모리 데이터 레지스터)

: 메모리와 주고받을 값(데이터와 명령어)을 저장하는 레지스터

- 메모리에 쓰고 싶은 값이나 메모리로부터 전달받은 값은 메모리 버퍼 레지스터를 거친다.

- 데이터 버스로 주고 받을 값은 메모리 버퍼 레지스터를 거친다.

 

프로그램 카운터는 지속적으로 증가하며 계속해서 다음 명령어를 읽어 들일 준비를 하고, 이 과정이 반복되면서 CPU는 프로그램을 차례대로 실행해 나간다.

 

5. 범용 레지스터

: 다양하고 일반적인 상황에서 자유롭게 사용할 수 있는 레지스터

- 데이터와 주소를 모두 저장할 수 있다.

 

6. 플래그 레지스터

: 연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보를 저장하는 레지스터

 

(2) 스택 주소 지정 방식

스택 주소 지정 방식: 스택과 스택 포인터를 이용한 주소 지정 방식

스택 포인터: 스택의 꼭대기를 가리키는 레지스터. 즉, 스택에 마지막으로 저장한 값의 위치를 저장하는 레지스터

스택 영역: 메모리 안에 정해져 있는 스택처럼 사용할 영역으로, 다른 주소 공간과는 다르게 스택처럼 사용하기로 암묵적으로 약속되어 있다.

 

(3) 변위 주소 지정 방식

변위 주소 지정 방식

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

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

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

 

상대 주소 지정 방식

: 오퍼랜드와 프로그램 카운터의 값 더하여 유효 주소를 얻는 방식

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

 

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

 

베이즈 레지스터 주소 지정 방식

: 오퍼랜드와 베이즈 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식

베이스 레지스터는 '기존 주소', 오퍼랜드는 '기존 주소로부터 떨어진 거리'로서의 역할을 한다. 즉, 베이스 레지스터 속 기준 주소로부터 얼마나 떨어져 있는 주소에 접근할 것인지를 연산하여 유효 주소를 얻어내는 방식이다.

Ex. 베이스 레지스터에 200이라는 값이 있고 오퍼랜드가 40이라면 "기준 주소 200번지로부터 40만큼 떨어진 240번지로 접근하라"를 의미한다.

 

 

04-3. 명령어 사이클과 인터럽트

(1) 명령어 사이클

명령어 사이클(instruction cycle): 프로그램 속 각각의 명령어들이 반복되며 실행되는 일정한 주기

인출 사이클(fetch cycle): 메모리에 있는 명령어를 CPU로 가지고 오는 단계

실행 사이클(execution cycle): CPU로 가져온 명령어를 실행하는 단계로, 제어장치가 명령어 레지스터에 담긴 값을 해석하고 제어 신호를 발생시키는 단계

 

간접 주소 지정 방식은 오퍼랜드 필드에 유효 주소의 주소를 명시하는데, 이 경우는 명령어를 실행하기 위해서는 메모리 저비근을 한 번 더 해야 한다.

간접 사이클(indirect cycle): 명령어를 실행하기 위해 메모리 접근을 한 번 더 하는 단계

 

(2) 인터럽트

인터럽트(interrupt): CPU의 작업을 방해하는 신호

인터럽트의 종류에는 동기 인터럽트와 비동기 인터럽트가 있다.

 

동기 인터럽트(= 예외): CPU에 의해 발생하는 인터럽트

CPU가 명령어들을 수행하다가 예상치 못한 상황에 마주쳤을 때, 가령 CPU가 실행하는 프로그래밍상의 오류와 같은 예외적인 상황에 마주쳤을 때 발생하는 인터럽트이다.

 

※ 예외의 종류

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

트랩(trap): 예외를 처리한 직후 예외가 발생한 다음 명령어부터 실행을 재개하는 예외로, 주로 디버깅할 때 사용한다.

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

 

비동기 인터럽트(= 하드웨어 인터럽트): 주로 입출력장치에 의해 발생하는 인터럽트

- 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.

 

하드웨어 인터럽트 처리 순서

1. 입출력장치는 CPU에 인터럽트 요청 신호를 보낸다.

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.

4. 인터럽트를 받아들일 수 있다면 CPU는 지금까지의 작업을 백업한다.

5. CPU는 인터럽트 벡터를 참조하여 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.

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

 

인터럽트 요청 신호: CPU의 작업을 방해하는 인터럽트에 대한 요청. 즉, CPU에 '지금 끼어들어도 되는지' 물어보는 것

인터럽트 플래그: 플래그 레지스터에 있는 하드웨어 인터럽트를 받아들일지, 무시할지를 결정하는 플래그

CPU가 중요한 작업을 처리해야 하거나 어떤 방해도 받지 않아야 할 때 인터럽트 플래그는 불가능으로 설정된다.

다만, 인터럽트 플래그가 불가능으로 설정되어 있을지라도 정전이나 하드웨어 고장으로 인한 인터럽트 등 무시할 수 없는 인터럽트 요청도 있다.

인터럽트 서비스 루틴(= 인터럽트 핸들러): 인터럽트를 처리하기 위한 동작들로 이루어진 프로그램으로, 어떤 인터럽트가 발생했을 때 해당 인터럽트를 어떻게 처리하고 작동해야 할지에 대한 정보로 이루어진 프로그램

 

인터럽트 벡터: 인터럽트 서비스 루틴의 시작 주소를 포함하는 인터럽트 서비스 루틴을 식별하기 위한 정보

인터럽트 벡터를 알면 서비스 루틴의 시작 주소를 알 수 있기 때문에 CPU는 인터럽트 벡터를 통해 특정 인터럽트 서비스 루틴을 처음부터 실행할 수 있다.

 

CPU는 인터럽트 루틴을 실행하기 전에 프로그램 카운터 값 등 현재 프로그램을 재개하기 위해 필요한 모든 내용을 스택에 백업한다. 그러고 나서 인터럽트 서비스 루틴을 실행한 후, 스택에 저장해 둔 값을 다시 불러온 뒤 이전까지 수행하던 작업을 재개한다.

 

결국 CPU는 아래와 같은 과정을 반복해 나가며 프로그램을 실행한다.