[혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제]04. CPU 내부

CPU = ALU + 제어 장치 + 여러 개의 레지스터

• ALU: 계산하는 장치
• 제어 장치: 제어 신호를 발생시키고 명령어를 해석하는 장치

ALU(산술논리연산장치)

출처) https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0

계산하기 위해서는 피연산자와 수행할 연산이 필요함.

 

받아들이는 정보 → ALU는 레지스터로부터 피연산자를 받아들이고, 제어장치로부터 제어 신호를 받아들인다.

내보내는 정보 → 계산한 결과값을 레지스터에 저장하고, 플래그를 플래그 레지스터에 저장한다.

• CPU가 레지스터에 접근하는 속도 > CPU가 메모리에 접근하는 속도 → 결과값을 레지스터에 저장함
• 결과값이 음수인지에 대한 정보, 연산 결과가 결과를 담을 레지스터에 비해 너무 큰 오버플로우 정보 등의 플래그 정보를 저장함
  ﹡ 플래그: 연산 결과에 대한 부가 정보

출처) https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0

 

제어 장치

출처) https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0

받아들이는 정보 → 클럭, 명령어 레지스터로부터 받아들인 해석할 명령어, 플래그 레지스터로부터 플래그, 제어버스로부터 받아들인 제어신호

• 클럭 신호: 컴퓨터의 모든 부품을 일사분란하게 움직일 수 있게 하는 시간 단위

출처) https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0

• 해석할 명령어: 명령어 레지스터로부터 받아들인 명령어를 해석함
• 플래그: 명령어를 해석할 때 필요한 부가정보를 위한 플래그 레지스터로부터 플래그 정보를 받아들임
• 제어 신호: 입출력장치 등 주변장치도 제어신호를 보낼 수 있음. 외부로부터 발생한 제어신호를 CPU로 보낸 경우

내보내는 정보 → CPU 내부/외부에 전달하는 제어신호

• CPU 내부에 내보내는 제어신호: 레지스터(레지스터 간 정보 이동, 어떤 값 저장, 어떤 행동을 해라 등), ALU(수행할 연산 지시)
• CPU 외부에 내보내는 제어신호: 메모리(메모리에 데이터를 읽기/쓰기 등), 입출력장치(입출력장치를 읽기/쓰기 등)

 

레지스터

CPU 내부의 작은 임시 저장장치로, 프로그램 속 명령어와 데이터는 실행 전후로 레지스터에 저장한다.

• CPU 내부에는 다양한 레지스터들이 있고, 각기 다른 역할을 가짐
• CPU 종류마다 레지스터 종류가 다름

[반드시 알아야 할 레지스터]

1. 프로그램 카운터(PC): 메모리에서 가져올 명령어의 주소(메모리에서 읽어 들일 명령어의 주소) → 프로그램을 순차적으로 실행할 수 있는 원리

• 순차적인 실행 흐름이 끊기는 경우도 존재함
  • 특정 메모리 주소로 실행 흐름이 이동하는 명령어 실행 시 ex) JUMP, CONDITIONAL JUMP, CALL, RET
  • 인터럽트 발생 시 등

2. 명령어 레지스터: 해석할 명령어(방금 메모리에서 읽어 들인 명령어) → 제어신호가 해석

3. 메모리 주소 레지스터: 메모리 주소 → CPU가 읽어 들이고자 하는 주소를 주소 버스로 보낼 때 거치는 레지스터

4. 메모리 버퍼 레지스터: 메모리와 주고받을 값(데이터와 명령어) → CPU가 정보를 데이터 버스로 주고받을 때 거치는 레지스터

<1~4 레지스터 예시>

 

 

 

메모리에 있는 실행할 프로그램의 명령어가 1000번지부터 순차적으로 실행된다고 가정하면,

 

 

 

 

 

① 프로그램 카운터에 다음에 실행할 명령어의 주소인 1000번지가 저장됨

 

 

 

 

② 프로그램 카운터에 있는 다음으로 읽어들일 명령어의 주소가 메모리 주소 레지스터에 복사됨

→ 메모리에서 명령어를 가져오기 위해 주소 버스로 해당 주소를 보내기 위해

 

 

 

 

 

③ 메모리 읽기 신호와 함께 메모리 주소 레지스터에서 해당 주소값을 주소 버스로 보냄

 

 

 

 

 

 

④ 해당 주소에 있는 명령어를 데이터 버스를 통해 메모리 버퍼 레지스터에 저장함

이때, 프로그램 카운터는 1이 증가됨! 다음으로 실행할 명령어의 주소를 나타내기 위해

 

 

 

 

 

 

⑤ 제어장치가 해석해야 할 명령어를 메모리 버퍼 레지스터에서 명령어 레지스터로 복사함

 

 

 

5. 플래그 레지스터: 연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보

6. 범용 레지스터: 다양하고 일반적인 상황에서 자유롭게 사용하는 정보 → 여러 개 존재, 메모리/명령어/데이터 모두 담을 수 있음

7. 스택 포인터: 스택 주소 지정 방식에 사용됨, 스택의 꼭대기를 가리킴

• 스택 주소 지정 방식: 스택과 스택 포인터를 이용한 주소 지정 방식
• 스택 포인터: 스택의 꼭대기를 가리키는 레지스터(스택이 어디까지 차 있는지에 대한 표시)
• 메모리 내에 스택 영역이 있음

출처) https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0

8. 베이스 레지스터: 변위 주소 지정 방식에 사용됨, 기준 주소 저장함

• 오퍼랜드 필드의 값(변위)과 특정 레지스터의 값을 더해 유효 주소를 얻는 방식

출처) https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0

• 변위 주소 지정 방식에는 프로그램 카운터 값과 더하는 방식과 베이스 레지스터 값과 더하는 방식이 있음
• 상대 주소 지정 방식: 오퍼랜드 필드 값(변위)과 프로그램 카운터의 값을 더해 유효 주소를 얻는 방식

출처) https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0

• 베이스 레지스터 주소 지정 방식: 오퍼랜드 필드 값(변위)과 베이스 레지스터의 값(= 기준 주소)을 더해 유효 주소를 얻는 방식

출처) https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0

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명령어 사이클과 인터럽트

CPU는 메모리로부터 데이터와 명령어를 가져와 실행하거나 메모리로 저장할 수 있다. 이 과정을 일정한 정해진 흐름대로 처리한다. 일정한 흐름대로 처리하는 과정을 '명령어 사이클'이라고 부른다.

정해진 흐름을 방해하는 신호를 '인터럽트'라고 한다.

 

명령어 사이클

프로그램 속 명령어들은 일정한 주기가 반복되며 실행되는데, 이 주기를 명령어 사이클이라고 함

1) 인출 사이클: 메모리에 있는 명령어를 CPU로 가져오는 단계

2) 실행 사이클: 가져온 명령어를 실행

출처) https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0

보통 CPU는 인출-실행 사이클을 수행하지만, 명령어를 가지고 와도 바로 실행이 불가능한 경우도 존재함(ex: 메모리에 한 번 더 접근해야 하는 경우) 이러한 경우 간접 사이클이 추가되어, 인출-간접-실행 사이클로 실행됨

3) 간접 사이클: 메모리 접근이 더 필요한 경우

출처) https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0

인터럽트

인출-실행/인출-간접-실행과 같은 정해진 흐름을 끊어버리는 신호

• CPU가 꼭 주목해야 할 때, CPU가 얼른 처리해야 할 다른 작업이 생겼을 때 인터럽트 발생
• 인터럽트에는 동기 인터럽트(예외), 비동기 인터럽트(하드웨어 인터럽트)가 존재함

동기 인터럽트(예외): CPU가 예기치 못한 상황을 접했을 때 발생 → 폴트, 트랩, 중단, 소프트웨어 인터럽트가 존재함

비동기 인터럽트(하드웨어 인터럽트): 주로 입출력장치에 의해 발생 → 알림과 같은 역할

• 입출력 작업 도중에도 효율적으로 명령어를 처리하기 위해 하드웨어 인터럽트 사용함
  • 입출력 장치는 CPU에 비해 느림! 인터럽트가 없다면 CPU는 프린트 완료 여부를 확인하기 위해 주기적으로 확인해야 함.
  • 인터럽트가 있다면 입출력 작업 동안 CPU는 다른 일을 할 수 있음

[하드웨어 인터럽트 처리 순서]

1) 입출력장치는 CPU에 인터럽트 요청 신호를 보냄

﹡ 인터럽트 요청 신호: 입출력장치에서 CPU로 끼어들어도 되는지 보내는 신호

2) CPU는 실행 사이클이 끝나고 명령어를 인출하기 전 항상 인터럽트 여부를 확인함

3) CPU는 인터럽트 요청을 확인하고 인터럽트 플래그를 통해 현재 인터럽트를 받아들일 수 있는지 여부를 확인함

﹡ 플래그 레지스터에 있는 인터럽트 플래그를 통해 0과 1로 현재 인터럽트 받아들일 수 있는지 여부 확인, 받아들일 수 없다면 해당 인터럽트 무시

• 모든 인터럽트를 인터럽트 플래그로 막을 수 있는 건 아님! 일부 인터럽트는 정전, 하드웨어 고장 등 긴급한 인터럽트는 막을 수 없음
• 즉, 비동기 인터럽트에는 막을 수 있는 인터럽트와 막을 수 없는 인터럽트(NMI)가 존재함

4) 인터럽트를 받아들일 수 있다면 CPU는 지금까지의 작업을 백업함

5) CPU는 인터럽트 벡터를 참조해 인터럽트 서비스 루틴을 실행함

﹡인터럽트 서비스 루틴: 인터럽트가 발생했을 때 해당 인터럽트를 어떻게 처리하면 되는지 나타내는 프로그램 ex) '키보드가 인터럽트 요청을 보내면 이렇게 행동해야 한다.'

• 인터럽트 서비스 루틴도 프로그램이기 때문에 메모리에 저장됨
• 인터럽트 보내는 주체에 따라 각기 다른 시작 주소를 가지고 있음

﹡ 인터럽트 벡터: 각각의 인터럽트를 구분하기 위한 정보 → 인터럽트의 시작 주소를 알기 위해서 사용

출처) https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0

6) 인터럽트 서비스 루틴 실행이 끝나면 4)에서 백업해 둔 작업을 복구해 실행을 재개함

• 인터럽트 처리 전 CPU 레지스터에 저장되어 있는 다시 되돌아올 프로그램의 정보를 메모리 내의 스택 영역에 백업해둠
• 인터럽트 끝나면 스택 영역에 있는 정보를 다시 복구함

출처) https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0

즉, 'CPU가 인터럽트를 처리한다'는 '인터럽트 서비스 루틴을 실행하고, 본래 수행하던 작업으로 다시 되돌아온다'라는 의미이다.

 

출처) https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0