ALU와 제어장치
ALU
ALU는 계산을 하는 부품으로 레지스터를 통해 피연산자를 받아들이고
제어장치로부터 수행할 연산을 알려주는 제어신호를 받아들인다.
ALU 연산을 수행한 결과는 특정 숫자나 문자가 될 수도 있고, 메모리 주소가 될 수도 있다.
이 결괏값은 바로 메모리에 저장되지 않고 일시적으로 레지스터에 저장된다.
➡️ 이유는 CPU가 메모리에 접근하는 것보다 레지스터에 접근하는 속도가 훨씬 빨라 결괏값을 레지스터에 일시적으로 저장하는 것이다.
연산 결과에 대한 추가적인 상태 정보를 나타내 주는데 그 정보를 플래그라고 한다.
<예시>
| 플래그 종류 | 의미 |
| 부호 플래그 | 연산한 결과의 부호를 나타냄 |
| 제로 플래그 | 연산 결과가 0인지 여부를 나타냄 |
| 캐리 플래그 | 연산 결과 올림수나 빌림수가 발생했는지를 나타냄 |
| 오버플로우 플래그 | 오버플로우가 발생했는지를 나타냄 |
| 인터럽트 플래그 | 인터럽트가 가능한지를 나타냄 |
| 슈퍼바이저 플래그 | 커널 모드로 실행 중인지, 사용자 모드로 실행 중인지를 나타냄 |
이러한 플래그들은 플래그 레지스터에 저장된다.
이 레지스터들을 통해 연산 결과에 대한 추가적인 정보, 참고 정보를 얻을 수 있게 된다.
<예시>
| 부호 플래그 1 |
제로 플래그 0 |
캐리 플래그 0 |
오버플로우 프래그 0 |
인터럽트 플래그 0 |
슈퍼바이저 플래그 0 |
= 연산 결과가 음수임을 알 수 있음
제어장치
- 제어 신호를 내보내고 명령어를 해석하는 부품
- CPU 제조사마다 제어장치의 구현 방식이나 명령어를 해석하는 방식, 받아들이고 내보내는 정보에 조금씩 차이가 있음
< 과정 >
1. 제어장치가 클럭신호를 받아들인다.
- 클럭 : 컴퓨터의 모든 부품을 일사불란하게 움직일 수 있게 하는 시간 단위 (컴퓨터의 심장 박동 수)
✅ 컴퓨터 부품은 클럭이라는 박자에 맞춰서 작동만 하는 것이지 한 박자마다 작동하는 것이 아니다.
2. 제어장치는 해석해야 할 명령어를 받아들인다.
CPU가 해석해야 할 명령어를 명령어 레지스터라는 특별한 레지스터에 저장된다.
제어창치 이 명령어 레지스터로 해석할 명령어를 받고 해석한 후, 제어 신호를 보내 컴퓨터 부품들에게 수행할 내용을 알려줌.
3. 제어장치는 플래그 레지스터 속 플래그 값을 받아들인다.
제어창치는 플래그 값을 받아들이고 이를 참고하여 제어 신호를 발생시킴
4. 제어창지는 시스템 버스, 그중에서 제어 버스로 전달된 제어 신호를 받아들인다.
제어 신호는 CPU뿐만 아니라 입출력장치를 비롯한 CPU 외부 장치도 발생시킬 수 있음.
제어장치는 제어 버스를 통해 외부로부터 전달된 제어 신호를 받아들이기도 함.
✅ 제어장치가 내보내는 정보에는 CPU 외부에 전달하는 제어 신호와 CPU 내부에 전달하는 제어 신호가 있다.
- CPU 외부 : 제어 버스로 제어 신호를 내보냄 ( 메모리에 전달하는 신호, 입출력장치에 전달하는 신호)
- CPU 내부 : ALU에 전달하는 신호, 레지스터에 전달하는 신호
레지스터
✅ 레지스터에 저장된 값만 잘 확인해도 프로그램의 신호와 CPU에서 무슨일이 벌어지는지, 어떤 명령어가 어떻게 수행되는지 확인할 수 있음.
상용화된 CPU 속에는 이름, 크기, 종류가 다른 다양한 레지스터가 있다.
그 중에서 알아야 할 레지스터 종류
< 레지스터 종류 >
- 프로그램 카운터
- 명령어 레지스터
- 메모리 주소 레지스터
- 메모리 버퍼 레지스터
- 플래그 레지스터
- 범용 레지스터
- 스택 포인터
- 베이스 레지스터
프로그램 카운터
✅ 메모리에서 가져올 명령어 주소 (메모리에서 읽어 들일 명령어의 주소를 저장함)
프로그램 카운터를 명령어 포인터로 부르는 CPU도 있음
명령어 레지스터
✅ 해석할 명령어 (방금 메모리에서 읽어 들인 명령어를 저장하는 레지스터)
제어 장치가 명령어 레지스터 속 명령어를 받아들이고 이를 해석한 후 제어 신호를 내보냄
메모리 주소 레지스터
✅ 메모리의 주소를 저장하는 레지스터
CPU가 읽어 들이고자 하는 주소 값을 주소 버스로 보낼 때 메모리 주소 레지스터를 거침
메모리 버퍼 레지스터 (MDR : 메모리 데이터 레지스터)
✅ 메모리와 주고 받을 값(데이터와 명령어)을 저장하는 레지스터
메모리에 쓰고 싶은 값이나 메모리로부터 전달받은 값은 메모리 버퍼 레지스터를 거침
CPU가 주소 버스로 내보낼 값이 메모리 주소 레지스터를 거친다면, 데이터 버스로 주고받을 값은 메모리 버퍼 레지스터를 거침
< 동작 과정 예시>
- CPU로 실행할 프로그램이 100번지에서 150번지까지 있다고 가정 (100번지에는 1이 저장되어 있다고 가정)
- 프로그램을 처음 실행하기에 프로그램 카운터에 100이 저장
- 100번지를 읽어 들이기 위해 주소 버스로 100번지를 내보내야 함. 이를 위해 메모리 주소 레지스터에는 100이 저장
- 메모리 읽기 제어 신호와 메모리 주소 레지스터 값이 각각 제어버스와 주소버스를 통해 메모리로 보내짐
- 메모리 100번지에 저장된 값은 데이터 버스를 통해 메모리 버퍼 레지스터로 전달됨. 그리고 프로그램 카운터는 증가되어 다음 명령어를 읽어 들일 준비함
- 메모리 버퍼 레지스터에 저장된 값은 명령어 레지스터로 이동함
- 제어장치는 명령어 레지스터의 명령어를 해석하고 제어 신호를 발생시킴
- 동일한 과정을 반복(프로그램 카운터는 지속적으로 증가하여 다음 명령어를 읽어들일 준비함)
범용 레지스터
✅ 다양하고 일반적인 상황에서 자유롭게 사용할 수 있는 레지스터
범용 레지스터는 데이터와 주소를 모두 저장할 수 있음.
일반적으로 CPU 안에는 여러 개의 범용 레지스터들이 있음.
플래그 레지스터
✅ 연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보를 저장하는 레지스터
특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식 : 스택 주소 지정 방식
✅ 스택과 스택 포인터를 이용한 주소 지정 방식
스택의 이용한 주소 지정 방식으로 메모리 안에 스택처럼 사용할 영역이 정해져 있는 곳인 스택 영역을 이용한 주소 지정 방식임
이 영역은 다른 주소 공간과는 다르게 스택처럼 사용하기로 암묵적으로 약속된 영역임
특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식 : 변위 주소 지정 방식
✅ 오퍼랜드 필드 값(변위)과 특정 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻어내는 주소 지정 방식
| 연산 코드 | 레지스터 | 오퍼랜드 |
➡️ 변위 주소 지정 방식은 오퍼랜드 필드 주소와 어떤 레지스터를 더하는지에 따라 상대 주소 지정 방식, 베이스 레지스터 주소 지정 방식 등으로 나뉨
- 상대 주소 지정 방식
- 오퍼랜드와 프로그램 카운터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식
- 프로그래밍 언어의 if문과 유사하게 모든 코드를 실행하는 것이 아닌, 분기하여 특정 주소의 코드를 실행할 때 사용함.
- 베이스 레지스터 주소 지정 방식
- 오퍼랜드와 베이스 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식
- 베이스 레지스터 속 기준 주소로부터 얼마나 떨어져 있는 주소에 접근할 것인지 연산하여 유효 주소를 얻어내는 방식
명령어 사이클과 인터럽트
✅ 하나의 명령어를 처리하는 정형화된 흐름을 명령어 사이클이라고 함.
✅ CPU가 정해진 흐름으로 따라 처리하다가 끊어지는 상황을 인터럽트라고 함
명령어 사이클
프로그램 속 각각의 명령어들은 명령어 사이클이 반복되며 실행된다.
메모리에 저장된 명령어를 실행한다고 가정을 하면 먼저 명령어를 메모리에서 CPU로 가져와야 함
➡️ 인출 사이클
명령어를 인출했다면 명령어를 실행해야 함. 제어장치가 명령어 레지스터에 담긴 값을 해석하고 제어 신호를 발생시키는 단계
➡️ 실행 사이클
이 두 사이클을 반복하며 실행을 한다.
간접 주소 지정 방식은 명령어를 CPU로 가져와서 바로 실행 사이클에 돌입할 수 없음.
명령어를 실행하기 위해서 메모리 접근을 한 번 더 해야 하기 때문임
➡️ 간접 사이클
인터럽트
CPU가 작업을 하다가 더 급한 일 있어 멈추게 되는데 그 상황을 인터럽트라고 함
✅CPU의 정상적인 작업을 방해하는 신호
< 종류 >
- 동기 인터럽트
- CPU에 의해 발생하는 인터럽트
- 실행하는 프로그래밍상의 오류와 같은 예외적인 상황에 마주쳤을 때 발생하는 인터럽트
- 예외라고 부름
- 폴트 : 예외를 처리한 직후 예외가 발생한 명령어부터 실행을 재개하는 예외
- 트랩 : 예외를 처리한 직후 예외가 발생한 명령어의 다음 명령어부터 실행을 재개하는 예외. 주로 디버깅할 때 사용
- 중단 : CPU가 실행 중인 프로그램을 강제로 중단시킬 수 밖에 없는 심각한 오류를 발견했을 때 발생하는 예외
- 소프트웨어 인터럽트 : 시스템 호출이 발생했을 때 나타남
- 비동기 인터럽트
- 주로 입출력장치에 의해 발생하는 인터럽트
- 예시 ) CPU가 프린터와 같은 입출력장치에 입출력 작업을 부탁하면 작업을 끝낸 입출력장치가 CPU에 인터럽트를 보내게 됨
- 입출력장치에 의해 발생하는 인터럽트를 하드웨어 인터럽트라고 함.
- 하드웨어 인터럽트 : 알림과 같은 인터럽트
- 입출력장치는 CPU보다 속도가 훨씬 느림
- CPU는 하드웨어 인터럽트를 이용해 작업 완료 여부를 지속적으로 확인하지 않고 다른 작업을 할 수 있음
- 처리 순서
- 입출력장치는 CPU에 인터럽트 요청 신호를 보냄
- CPU는 실행 사이클이 끝나고 명령어를 인출하기 전 항상 인터럽트 여부를 확인함
- CPU는 인터럽트 요청을 확인하고 인터럽트 플래그를 통해 현재 인터럽트를 받아들일 수 있는지 여부를 확인
- 인터럽트를 받아들일 수 있다면 CPU는 지금까지의 작업을 백업함
- CPU는 인터럽트 벡터를 참조하여 인터럽트 서비스 루틴을 실행함
- 인터럽트 서비스 루틴 실행이 끝나면 4에서 백업해 둔 작업을 복구하여 실행을 재개함
- 인터럽트 요청 신호 : CPU의 작업을 방해하는 인터럽트에 대한 요청
- 인터럽트 플래그 : 하드웨어 인터럽트를 받아들일지 무시할지 결정하는 비트
- 무시할 수 없는 인터럽트 요청이 있을 수도 있음
- 인터럽트 서비스 루틴 : 인터럽트를 처리하기 위한 프로그램 (인터럽트 핸들러라고도 부름)
- 인터럽트 벡터 : 입출력장치마다 각기 다른 인터럽트 서비스 루틴을 가지고 있어 서비스 루틴을 식별하기 위한 정보
- 주로 입출력장치에 의해 발생하는 인터럽트
