-ALU와 제어장치
ALU는 레지스터를 통해 피연산자를 받아들이고, 제어장치로부터 수행할 연산을 알려주는 제어신호를 받아들여 산술연산, 논리 연산등 당양한 연산을 수행합니다. 결과값은 바로 메모리에 저장되지 않고 일시적으로 레지스터에 저장합니다. (속도가 원인) ALU는 계산결과와 더불어 플래그(추가정보, 추가적인 상태 정보)를 내보냅니다.
플래그 종류
부호 플래그, 제로 플래그, 캐리 플래그(올림수나 빌림수), 오버플로우 플래그, 인터럽트 플래그, 슈퍼바이저 플래그
플래그들은 플래그 레지스터에 저장됩니다.
제어장치는 제어 신호를 내보내고, 명령어를 해석한는 부품이라고 설명했습니다. 일종의 전기신호입니다.
1. 제어신호는 클럭신호를 받아들입니다. 클럭이란 컴퓨터의 모든 부품을 일사불란하게 움직일 수 있게 하는 시간 단위입니다.
2. 제어장치는 ‘해석해야 할 명령어’를 받아들입니다. CPU가 해석해야 할 명령어는 명령어 레지스터라는 특별한 레지스터에 저장됩니다.
3. 제어장치는 플래그 레지스터 속 플래그 값을 받아들입니다. 플래그는 ALU연산에 대한 추가적인 상태 정보라고 했습니다.
4. 제어장치는 시스템 버스, 그 중에서 제어 버스로 전달된 제어 신호를 받아들입니다.
*-레지스터 (레지스터만 잘 관찰해도 프로그램의 자세한 실행 과정을 알 수 있다.)
반드시 알아야 할 레지스터
- 프로그램 카운터
- 명령어 레지스터
- 메모리 주소 레지스터
- 메모리 버퍼 레지스터
- 플래그 레지스터
- 범용 레지스터
- 스택 포인터
- 베이스 레지스터
프로그램 카운터는 메모리에서 가져올 명령어의 주소, 즉 메모리에서 읽어 들일 명령어의 주소를 저장합니다. 프로그램 카운터를 명령어 포인터라고 부르는 CPU도 있습니다.
명령어 레지스터는 해석할 명령어, 즉 방금 메모리에서 읽어 들인 명령어를 저장하는 레지스터입니다. 제어장치는 명령어 레지스터 속 명령어를 받아들이고 일를 해석한 뒤 제어 신호를 내보냅니다.
메모리 주소 레지스터는 메모리의 주소를 저장하는 레지스터입니다. CPU가 읽어 들이고자 하는 주소 값을 주소 버스로 보낼 때 메모리 주소 레지스터를 거치게 됩니다.
메모리 버퍼 레지스터는 메모리와 주고받을 값을 저장하는 레지스터입니다. 즉, 메모리에 쓰고 싶은 값이나 메모리로부터 전달받은 값은 메모리 버퍼 레지스터를 거칩니다. CPU가 주소 버스로 내보낼 값이 메모리 주소 레지스터를 거친다면, 데이터 버스로 주고받을 값은 메모리 버퍼 레지스터를 거칩니다.
범용 레지스터는 이름 그대로 다양하고 일반적인 상황에서 자유롭게 사용할 수 있는 레지스터입니다. 메모리 버퍼 레지스터는 데이터 버스로 주고받을 값만 저장하고, 메모리 주소 레지스터는 주소 버스로 내보낼 주소값만 저장하지만, 범용 레지스터는 데이텅와 주소를 모두 저장할 수 있습니다. 일반적으로 CPU 안에는 여러 개의 범용 레지스터들이 있고, 현대 대다수 CPU는 모두 범용 레지스터를 가지고 있습니다.
플래그 레지스터는 연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보를 저장하는 레지스터입니다.
-특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식(1) : 스택 주소 지정 방식
스택 포인터는 스택 주소 지정 방식이라는 주소 지정 방식에 사용되고, 프로그램 카운터와 베이스 레지스터는 변위 주소 지정 방식이라는 주소 지정 방식에 사용된다.
스택 주소 지정 방식은 스택과 스택포인터를 이용한 주소 지정방식입니다.
스택은 한쪽 끝이 막혀 있는 통과 같은 저장 공간입니다. 그래서 가장 최근에 저장한 값부터 꺼낼 수 있죠. 스택 포인터란 스택의 꼭대기를 가리키는 레지스터입니다.
스택이라는 것은 메모리 안에 있습니다. 메모리 안에 스택처럼 사용할 영역이 정해져 있습니다. 이를 스택 영역이라고 합니다.
-특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식(1) : 변위 주소 지정 방식
변위 주소 지정 방식이란 오퍼랜드 필드의 값과 특정 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻어내는 주소 지정 방식입니다. 그래서 변위 주소 지정 방식을 사용하는 명령어는 연산 코드 필드, 레지스터 필드, 오퍼랜드 필드가 있습니다. 상대 주소 지정 방식, 베이스 레지스터 주소 지정 방식 등으로 나뉩니다.
상대 주소 지정 방식은 오퍼랜드와 프로그램 카운터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식입니다.
베이스 레지스터 주소 지정 방식은 오퍼랜드와 베이스 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식입니다. 여기서 베이스 레지스터는 기준 주소, 오퍼랜드는 기준 주소로부터 떨어진 거리로서의 역할을 합니다.
-명령어 사이클과 인터럽트 CPU가 하나의 명령어를 처리하는 과정에는 어떤 정해진 흐름이 있고, 그 흐름을 반복하며 명령어들을 처리해 나갑니다. 하나의 명령어를 처리하는 정형화된 흐름을 명령어 사이클이라고 합니다.
정해진 흐름에 따라 명령어를 처리해 나가지만, 간혹 이 흐름이 끊어지는 상황이 발생합니다. 이를 인터럽트라고 합니다.
명령어 사이클
CPU는 명령어들을 하나씩 실행합니다. 프로그램 속 각각의 명령어들은 일정한 주기가 반복되며 실행되는데, 이 주기를 명령어 사이클이라고 합니다.
메모리에 있는 명령어를 CPU로 가지고 오는 단계를 인출 사이클이라고 합니다. CPU로 명령어를 인출했다면 이제 명령어를 실행합니다. 이것이 명령어 사이클의 두 번째 과정입니다. CPU로 가져온 명령어를 실행하는 단계를 실행 사이클이라고 합니다. 제어장치가 명령어 레지스터에 담긴 값을 해석하고, 제어 신호를 발생시키는 단계가 실행 사이클입니다.
ex) 간접 주소 지정 방식은 오퍼랜드 필드에 유효 주소의 주소를 명시한다. 이 경우 명령어를 인출하여 CPU로 가져왔다 하더라도 바로 실행 사이클에 돌입할 수 없다. 명령어를 실행하기 위해서는 메모리 접근을 한 번 더 해야하는데 이 단계를 간접 사이클이라고 합니다.
인터럽트
인터럽트는 영어로 interrupt이며, 방해하다 중단시키다를 의미합니다. CPU 작업을 방해하는 신호를 인터럽트라고 합니다. 인터럽트의 종류에는 동기 인터럽트와 비동기 인터럽트가 있습니다.
동기인티럽트는 CPU에 의해 발생하는 인터럽트입니다. CPU가 명려엉들을 수행하다가 예상치 못한 상황에 마주쳤을 때, 가령 CPU가 실행하는 프로그래밍상의 오류와 같은 예외적인 상황에 마주쳤을 때 발생하는 인터럽트입니다. 이런 점에서 동기 인터럽트는 예외(exception)이라고 합니다.
비동기인터럽트는 주로 입출력장치에 의해 발생하는 인터럽트입니다. 일반적으로 비동기 인터럽트를 인터럽트라 칭하기도 합니다. ⇒하드웨어 인터럽트라는 용어를 사용합니다. 하드웨어 인터럽트는 알림과 같은 인터럽트입니다. ⇒ CPU는 다른 작업을 처리하고 있다.
하드웨어 인터럽트 처리 순서
- 입출력장치는 CPU에 인터럽트 요청 신호를 합니다.
- CPU는 실행 사이클이 끝나고 명령어를 인출하기 전 항상 인터럽트 여부를 확인합니다.
- CPU는 인터럽트 요청을 확인하고 인터럽트 플래그를 통해 현재 인터럽트를 받아들일 수 있는지 여부를 확인합니다.
- 인터럽트를 받아들일 수 있다면 CPU는 지금까지의 작업을 백업합니다.
- CPU는 인터럽트 벡터를 참조하여 인터럽트 서비스 루틴을 실행합니다.
- 인터럽트 서비스 루틴 실행이 끝나면 백업해 둔 작업을 복구하여 실행을 재개합니다.
인터럽트 플래그는 말 그대로 하드웨어가 인터럽트를 받아들일지, 무시할지를 결정하는 플래그 입니다. 인터랩트 플래그가 불가능으로 설정되더라도 무시할 수 없는 인터럽트 요청도 있습니다. 인터럽트 서비스 루틴은 인터럽트를 처리하기 위한 프로그램입니다. 인터럽트 핸들러라고도 부릅니다.
CPU는 수 많은 인터럽트 서비스 루틴을 구분하기 위해 인터럽트 벡터를 이용합니다. 인터럽트 벡터는 인터럽트 서비스 루틴을 식별하기 위한 정보입니다.
예외의 종류
폴트는 예외를 처리한 직후 예외가 발생한 명령어부터 실행을 재개하는 예외입니다.
트랩은 예외를 처리한 직후 예외가 발생한 명령어의 다음 명령어부터 실행을 재개하는 예외입니다. 주로 디버깅할 때 사용하지요.
중단은 CPU가 실행 중인 프로그램을 강제로 중단시킬 수 밖에 없는 심각한 오류를 발견했을 때 발생하는 예외입니다.
소프트웨어 인터럽트는 시스템 호출이 발생했을 때 나타납니다.
출처 : 혼자 공부하는 컴퓨터구조 + 운영체제
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