[CA] CPU의 작동원리에 대해 알아보자

 

 

ALU

• 레지스터를 통해 피연산자를 받아들임
• 제어장치로부터 수행할 연산을 알려주는 제어신호를 받아들임
• 받아들인 신호로 산술 연산, 논리 연산 수행
• 계산한 결과값은 바로 메모리에 저장되는 것이 아닌 레지스터에 저장
• 계산 결과와 플래그를 함께 내보냄

플래그

• 연산 결과에 대한 추가적인 상태 정보
• CPU가 프로그램을 실행하는 도중 반드시 기억해야하는 일종의 참고 정보
• 부호, 제로, 캐리, 오버플로우, 인터럽트, 슈퍼바이저 플래그가 있음
• 플래그 레지스터라는 레지스터에 저장

 

제어장치

• 제어 신호를 내보내고, 명령어를 해석하는 부품
• 제어 신호: 컴퓨터 부품을 관리하고 작동시키기 위한 일종의 전기 신호

제어장치가 받아들이는 정보

1. 클럭 신호를
   - 클럭: 컴퓨터의 모든 부품을 움직일 수 있는 시간 단위
   - 컴퓨터 부품은 클럭이라는 박자에 맞춰 작동
2. 해석해야 할 명령어
   - 명령어를 받아들이고 해석한 뒤, 제어 신호를 발생
   - 컴퓨터 부품들이 수행할 내용을 알려줌
3. 플래그 레지스터 속 플래그 값
   - 플래그 값을 받아들이고 이를 참고하여 제어 신호를 발생 
4. 제어 버스로 전달된 제어 신호
   - 제어 신호는 CPU 외부 장치에서도 발생 가능함
   - 외부로부터 전달된 제어 신호를 받아들이기도 함

제어장치가 내보내는 정보

1. CPU 외부에 전달하는 제어 신호
   - 제어 버스로 제어 신호를 내보내는 것
   - 메모리, 입출력장치에 전달
2. CPU 내부에 전달하는 제어 신호
   - ALU에 전달하는 제어 신호
   - 레지스터에 전달하는 제어 신호

 

레지스터

- 상용화된 CPU 속 레지스터는 CPU마다 이름, 크기, 종류가 매우 다양

 

1. 프로그램 카운터
   - 메모리에서 읽어 들일 명령어의 주소를 저장
   - 명령어 포인터라고 부르기도함
2. 명령어 레지스터
   - 방금 메모리에서 읽어 들인 명령어를 저장
   - 명령어를 받아들이고 이를 해석한 뒤 제어 신호를 내보낸다
3. 메모리 주소 레지스터
   - 메모리의 주소를 저장
   - CPU가 읽어 들이고자 하는 주소 값을 주소 버스로 보낼 때 메모리 주소 레지스터를 거침
4. 메모리 버퍼 레지스터 (메모리 데이터 레지스터)
   - 메모리에 쓰고 싶은 값이나 메모리로부터 전달받은 값을 저장
   - CPU가 주소 버스로 내보낼 값이 메모리 주소 레지스터를 거친다면, 주고받은 데이터가 메모리 버퍼 레지스터를 거쳐감
5. 범용 레지스터
   - 일반적인 상황에서 자유롭게 사용 가능
   - 데이터와 주소를 모두 저장 가능
   - 대다수 CPU는 도느 여러개의 범용 레지스터를 가지고 있음
6. 플래그 레지스터
   - ALU 연산 결과에 따른 플래그를 저징
   - 연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보를 저장
7. 스택 포인터
   - 스택 주소 지정 방식으로 주소 지정에 사용되는 레지스터
8. 베이스 레지스터
   - 베이스 레지스터 속 기준 주소로부터 얼마나 떨어져 있는 주소에 접근할 것인지 연산하여 유효 주소를 얻어냄

 

특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식

스택 주소 지정 방식

• 스택과 스택 포인터를 이용한 주소 지정 방식
• 스택 포인터 = 스택의 꼭대기를 가리키는 레지스터 = 마지막으로 저장한 값의 위치
• 스택 영역 = 메모리 안에 스택처럼 사용하는 영역

변위 주소 지정 방식

• 오퍼랜드 필드의 값과 특정 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻어내는 주소 지정 방식
• 연산 코드 필드 (수행할 내용) + 레지스터 필드 (레지스터 값) + 오퍼랜드 필드 (주소를 더한 곳에 있는 데이터)

상대 주소 지정 방식

• 오퍼랜드와 프로그램의 카운터 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식
• 조건에 따라 분기하여 특정 주소의 코드를 실행

베이스 레지스터 주소 지정 방식

• 오퍼랜드와 베이스 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식
• 베이스 레지스터 = 기준 주소 위치
• 오퍼랜드 = 기준 주소로부터 떨어진 거리

 

명령어 사이클

• 각각의 명령어들은 일정한 주기가 반복되며 실행됨
• 인출, 실행 사이클이 반복되며 실행함
• 인출 사이클
  - 메모리에 있는 명령어를 CPU로 가지고 오는 단계
• 실행 사이클
  - 가져온 명령어를 실행하는 단계
  - 제어장치가 명령어 레지스터에 담긴 값을 해석하고, 제어 신호를 발생하는 단계
• 간접 사이클
  - 명령어를 실행하기 위해 메모리 접근이 한단계 더 필요할때 필요
  - 인출 - 간접 - 실행의 순서를 거침

 

인터럽트

- 작업 중인 CPU를 방해하는 신호

동기 인터럽트

• 명령어를 수행하다가 예상치 못한 상황에 CPU에 의해 발생하는 인터럽트
• 오류와 같은 예외 상황에 마주쳤을 때 발생
• 예외와 같은 것이라고 생각
• 폴트(fault)
  - 예외를 처리한 직후 예외가 발생한 명령어부터 실행을 재개하는 예외
• 트랩
  - 예외를 처리한 직후 예외가 발생한 명령어의 다음 명령어부터 실행을 재개하는 예외
  - 디버깅에서 주로 사용
• 중단(abort)
  - CPU가 실행 중인 프로그램을 강제로 중단시킬 수 밖에 없는 심각한 오류를 발견했을때
• 소프트웨어 인터럽트
  - 시스템 호출이 발생했을 때 나타남

비동기 인터럽트

• 입출력장치의 오류, 작업 완료 등에 의해서 발생
• CPU가 다른 작업을 하며 필요할 때만 입출력장치에 관여할 수 있게 만드는 장치
• 하드웨어 인터럽트라고도 함
• 처리 순서
  1. 입출력 장치가 CPU에 인터럽트 요청 신호를 보냄
  2. CPU는 매 실행 사이클 마다 인터럽트 요청 존재 여부 확인
  3. 인터럽트 플래그를 통해 현재 인터럽트를 받아들일 수 있는지 확인
  4. 인터럽트를 받아들인다면 CPU는 지금까지의 작업을 백업
  5. CPU는 인터럽트 벡터를 참조하여 인터럽트 서비스 루틴 실행
  6. 인터럽트가 마무리되면 4에서 백업한 작업 실행 재개
• 막을 수 있는 or 없는 인터럽트로 나뉨
• 인터럽트 플래그
  - 인터럽트 요청 신호를 받아들일지 아닐지 결정하는 비트
• 인터럽트 서비스 루틴
  - 인터럽트를 처리하기 위한 프로그램
  - 인터럽트 핸들러라고도 부름
• 인터럽트 벡터
  - 인터럽트 서비스 루틴을 식별하기 위한 정보