4장 CPU의 작동 원리
ALU: 산술논리연산장치 - 계산만을 위해 존재하는 부품 제어장치: 제어신호를 내보내고 명령어를 해석하는 장치 레지스터: CPU 내부의 작은 임시 저장 장치, 프로그램을 실행하는데 필요한 값들을 임시로 저장한다.
1. ALU와 제어장치
ALU
ALU가 받아들이고 내보는 정보
ALU가 받아들이는 정보
ALU는 레지스터를 통해 피연산자를 받아들이고, 제어장치들로부터 수행할 연산ㅇ르 알려주는 제어신호를 받아들입니다.
ALU가 내보내는 정보
연산을 수행한 결과를 레지스터에 임시 저장
레지스터에 임시 저장하는 이유: 연산할 때마다 메모리에 저장한다면, CPU의 메모리 접근 빈도가 증가하고 이는 프로그램의 실행 속도를 늦춘다.
플래그(연산에 대한 추가적인 정보)를 플래그 레지스터에 별도로 저장
플래그 종류의미부호 플래그
연산한 결과의 부호를 나타낸다
제로 플래그
연산 결과가 0인지 여부를 나타낸다
캐리 플래그
연산 결과 올림수나 빌림수가 발생했는지 나타낸다
오버플로우 플래그
오버플로우가 발생했는지 나타낸다.
인터럽트 플래그
인터럽트가 가능한지 나타낸다.
슈퍼바이저 플래그
커널모드로 실행중인지, 사용자모드로 실행중인지 나타낸다.
제어장치
제어장치가 받아들이고 내보내는 정보
제어장치가 받아들이는 정보
클럭 신호
클럭: 컴퓨터에서 연산을 조정하는 타이밍 신호
클럭이 없다면? logic1~3을 거쳐 output을 만드는 경우, input2는 input1이 모두 끝난 뒤 계산을 진행할 수 있다. 어느 시점에 input1의 각 단계가 끝나는지 알 수 없기 때문
해석해야 할 명령어
제어장치는 해당 명렁어를 해석하여 제어신호를 발생시켜 컴퓨터 부품들에게 수행해야 할 내용들을 알려준다.
플래그
제어버스로 전달된 제어신호
제어장치가 내보내는 정보
CPU 내부로 전달하는 제어신호
ALU에 수행할 연산을 지시하기 위해 - ALU로 제어신호 전송
레지스터 간에 데이터를 이동시키거나, 레지스터에 저장된 명령어를 해석하기 위해 - 레지스터로 제어신호 전송
CPU 외부로 전달하는 제어신호
메모리에 저장된 값을 읽거나, 메모리에 새로운 정보를 저장하고 싶을 때 - 메모리로 제어신호 전송
입출력장치의 값을 읽거나, 입출력장치에 새로운 정보를 쓰고 싶을 때 - 입출력장치로 제어신호 전송
2. 레지스터
반드시 알아야 하는 레지스터의 종류
프로그램 카운터, PC
메모리에서 가져올 명령어의 주소
명령어 포인터, IP로 불리는 경우도 있음
명령어 레지스터, IR
해석할 명령어를 저장하는 레지스터
메모리 주소 레지스터, MAR
메모리의 주소를 저장하는 레지스터
메모리 버퍼 레지스터, MBR
메모리와 주고받을 값을 저장하는 레지스터
메모리 데이터 레지스터, MDR라고 불리는 경우도 있음
플래그 레지스터
범용 레지스터
데이터와 주소를 모두 저장할 수 있는 레지스터
스택 포인터
스택의 꼭대기를 가리키는 레지스터
베이스 레지스터
3. 명령어 사이클과 인터럽트
명령어 사이클
명령어 사이클
프로그램속 각각의 명령어들은 일정한 주기가 반복되며 실행된다.
인출 사이클 → 실행 사이클 → 인출 사이클 → …
간접 주소 지정 방식의 경우 명령어를 실행하기 위해 메모리 접근을 한번 더 해야한다. ⇒ 간접 사이클 존재
인출 사이클
메모리에 있는 명령어를 CPU로 가지고 오는 단계
실행 사이클
CPU로 가져온 명령어를 실행하는 단계
인터럽트
인터럽트
CPU의 정상적인 작업을 방해하는 신호
동기 인터럽트
CPU에 의해 발생하는 인터럽트
명령어들을 수행하다가 예상치 못한 상황에 마주쳤을 때 발생 (예외 상황)
폴트: 예외를 처리한 직후 예외가 발생한 명령어부터 실행을 재개하는 예외
트랩: 예외를 처리한 직후 예외가 발생한 명령어의 다음 명령어부터 실행을 재개하는 예외
중단: 실행중인 프로그램을 강제로 중단시킬 수 밖에 없는 심각한 오류를 발견했을때 발생하는 예외
소프트웨어 인터럽트: 시스템 호출 발생
비동기 인터럽트 (하드웨어 인터럽트)
주로 입출력장치에 의해 발생하는 인터럽트
키보드, 마우스와 같은 입출력장치가 어떠한 입력을 받아들였을 때 이를 처리하기 위해 CPU에 인터럽트를 보낸다.
하드웨어 인터럽트 처리 순서
입출력장치는 CPU에 인터럽트 요청 신호를 보낸다.
CPU는 실행 사이클이 끝나고 명령어를 인출하기 전 항상 인터럽트 여부를 확인한다.
CPU는 인터럽트 요청을 확인하고 인터럽트 플래그를 통해 현재 인터럽트를 받아들일 수 있는지 여부를 확인한다.
인터럽트를 받아들일 수 있다면 CPU는 지금까지의 작업을 백업한다.
CPU는 인터럽트 벡터를 참조하여 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.
인터럽트 벡터: 인터럽트 서비스 루틴을 식별하기 위한 정보, 인터럽트 서비스 루틴의 시작점을 알 수 있다. (데이터버스를 통해 인터럽트 벡터를 전달받을 수 있다.)
인터럽트 서비스 루틴: 인터럽트를 처리하기 위한 프로그램으로 인터럽트가 발생했을 때 해당 인터럽트를 어떻게 처리하고 작동해야 할지에 대한 정보로 이뤄짐, 인터럽트 핸들러
인터럽트 서비스 루틴 실행이 끝나면 4에 백업해둔 작업을 복구하여 실행을 재개한다.
막을 수 있는 인터럽트
막을 수 없는 인터럽트
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