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‘혼자 공부하는 컴퓨터구조+운영체제 - 강민철’ 책을 참고하여 작성한 포스트입니다.

ALU

  • CPU 내부에서 계산을 담당한다.
  • 연산한 결괏값과 플래그를 내보낸다.
  • 레지스터를 통해 피연산자를 받아들이고, 제어장치로부터 수행할 연산을 알려주는 제어 신호를 받는다.
  • 연산한 결괏값은 특정 데이터가 될 수도 있고, 메모리 주소가 될 수도 있다. 바로 메모리에 저장되는 것이 아닌 일시적으로 레지스터에 저장된다.
  • 메모리에 접근하는 것보다 레지스터에 접근하는 것이 훨씬 빠르기 때문
  • 연산 결과에 대한 추가적인 상태 정보를 플래그(flag) 라고 한다.
    • 부호 플래그
      • 연산한 결과의 부호
      • 1이면 음수, 0이면 양수
    • 제로 플래그
      • 연산 결과가 0이면 1
    • 캐리 플래그
      • 연산 결과 올림수나 빌림수가 발생했는 지
      • 1이면 발생한 것
    • 오버플로우 플래그
      • 1이면 오버플로우 발생한 것
    • 인터럽트 플래그
      • 1이면 인터럽트가 가능한 상태
    • 슈퍼바이저 플래그
      • 1이면 커널 모드로 실행 중임
      • 0이면 사용자 모드로 실행 중임
  • 플래그들은 플래그 레지스터에 저장된다.
  • 이 외에도 ALU 내부에는 여러 계산을 위한 회로들이 많이 있다.



제어장치

  • 제어 신호를 내보내고, 명령어를 해석하는 부품
  • 제어 신호는 컴퓨터 부품들을 관리하고 작동시키기 위한 일종의 전기 신호이다.
  • 제어장치가 받아들이는 정보는 4가지를 보자
    • 클럭 신호
      • 클럭(clock)이란 컴퓨터의 모든 부품을 주기에 맞춰 움직일 수 있게 하는 시간 단위이다.
      • 클럭의 주기에 맞춰 데이터가 이동하거나, 연산이 수행되거나, 명령어를 읽거나 한다.
      • 꼭 한 클럭에 완료해야 하는 것은 아님
    • 해석해야 할 명령어
      • CPU가 해석해야 할 명령어는 ‘명령어 레지스터’에 저장된다.
      • 제어장치는 이 명령어 레지스터로부터 해석할 명령어를 받아들이고 해석한 뒤,
      • 제어신호를 발생시켜 컴퓨터 부품들에 수행해야 할 내용을 알려준다.
    • 플래그 값
      • 플래그 레지스터 속 플래그 값을 받아들이고 이를 참고하여 제어 신호를 발생시킨다
    • 제어 신호
      • 시스템 버스 속 제어 버스로 부터 제어 신호를 받는다.
      • CPU뿐 아니라 입출력장치 같은 외부 장치도 제어 신호를 보낸다
  • 제어창지가 내보내는 정보는 크게 CPU 외부에 전달하는 제어 신호와 내부에 전달하는 제어 신호로 나뉜다.
  • 입출력 장치나 메모리에 전달하는 제어신호가 외부에 보내는 것이고,
  • ALU나 레지스터에 전달하는 제어 신호가 내부에 전달하는 제어 신호다.
  • ALU에는 수행할 연산을 지시하고, 레지스터에는 레지스터 간 데이터를 이동시키거나 레지스터에 저장된 명령어를 해석하기 위해 제어 신호를 보낸다.



레지스터

  • 여러 레지스터가 있다.. 1. 프로그램 카운터, 2. 명령어 레지스터, 3. 메모리 주소 레지스터, 4. 메모리 버퍼 레지스터, 5. 플래그 레지스터, 6. 범용 레지스터, 7. 스택 포인터, 8. 베이스 레지스터 ….

프로그램 카운터(PC, program counter)

  • 메모리에서 읽어들일 명령어의 주소를 저장한다.
  • 명령어 포인터(IP, instruction pointer)라고도 불린다.

명령어 레지스터(IR, instruction register)

  • 메모리에서 읽어 들인 해석할 명령어를 저장한다.
  • 제어 장치는 명령어 레지스터 속 명령어를 받아 해석하고 제어 신호를 내보낸다고 했죠

메모리 주소 레지스터(MAR, memory address register)

  • CPU가 읽어 들이고자 하는 주소 값을 주소 버스로 보낼 때 메모리 주소 레지스터를 거친다.

메모리 버퍼 레지스터(MBR, memory buffer register)

  • 메모리와 주고받을 값(데이터와 명령어)을 저장하는 레지스터
  • 데이터 버스로 주고받을 값이 메모리 버퍼 레지스터를 거친다.

범용 레지스터(general purpose register)

  • 데이터와 주소를 모두 저장 가능하다. 일반적으로 CPU 내 여러 개의 범용 레지스터가 있음.
  • 일반적인 상황에서 자유롭게 사용 가능

플래그 레지스터(flag register)



특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식

1. 스택 주소 지정 방식

  • 스택과 스택 포인터(stack pointer) 를 이용한다.
  • 스택 포인터는 스택의 꼭대기를 가리키는 레지스터이다. 즉, 스택에 마지막으로 저장한 값의 위치를 저장하겠죠
  • 스택은 메모리 상의 스택 영역에 있음!

2. 변위 주소 지정 방식(displacement addressing mode)

  • 오퍼랜드의 필드의 값(변위)과 특정 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻어내는 주소 지정 방식.
  • 이 방식의 명령어는 연산코드 + 레지스터 + 오퍼랜드 로 이루어져 있다.
  • 레지스터와 오퍼랜드를 더한 곳에 있는 데이터를 가져온다.
  • 어떤 레지스터와 더하느냐에 따라 상대 주소 지정 방식과 베이스 레지스터 주소 지정 방식으로 나뉜다.

상대 주소 지정 방식(relative addressing mode)

  • 오퍼랜드와 ‘프로그램 카운터’의 갑승ㄹ 더해 유효 주소를 얻는다.
  • 프로그램 카운터에는 읽어들일 명령어가 담긴 메모리의 주소가 있다. 이 주소에 오퍼랜드 값을 더해 얻음.
  • 프로그램이 언어의 if문과 유사하다. 모든 코드를 실행하는 것이 아닌, 분기하여 특정 주소의 코드를 실행할 때 사용한다

베이스 레지스터 주소 지정 방식(base-register addressing mode)

  • 오퍼랜드와 베이스 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는다.
  • 베이스 레지스터 속 주소의 값과 오퍼랜드를 더해 얻는다. (베이스 레지스터 나중에 설명)

상용화된 CPU 속 레지스터 및 주소 지정 방식 - 혼공컴운 깃헙



명령어 사이클(instruction cycle)

  • CPU는 명령어들을 일정한 주기로 처리해 나가는데, 이 주기를 명령어 사이클 이라고 한다.
    1. 인출 사이클(fetch cycle)
      • 명령어를 처리하기 이해 메모리에서 CPU로 명령어를 가져오는 단계
    2. 실행 사이클(execution cycle)
      • 가져온 명령어를 실행하는 단계
      • 제어장치가 명령어 레지스터에 담긴 값을 해석하고, 제어 신호를 발생시킴
    3. 간접 사이클(indirect cycle)
      • 가져온 명령어를 처리하는 데 메모리 접근을 더 해야 하는 경우 발생



인터럽트

  • CPU의 작업을 잠시 중단시키는 신호를 인터럽트(interrupt) 라고 한다.
  • 인터럽트는 크게 동기 인터럽트와 비동기 인터럽트로 나뉜다.
    • 동기 인터럽트(synchronous interrupt)
      • CPU에 의해 발생하는 인터럽트
      • 명령어 수행중 프로그래밍상의 오류와 같은 예외적인 상황에 마주쳤을 때 발생하는 인터럽트
      • 예외(exception)이라고도 부름
    • 비동기 인터럽트(asynchronous interrupt)
      • 주로 입출력장치에 의해 발생하는 인터럽트
      • CPU가 입출력장치에 입출력 작업을 부탁했을 때 작업을 끝낸 입출력장치가 완료를 알리는 인터럽트를 보내고,
      • 입출력장치가 어떠한 입력을 받아들였을 때 입력을 알리는 인터럽트를 보낸다.
      • 하드웨어 인터럽트라고도 부른다.

하드웨어 인터럽트

  • CPU 입출력 작업 도중에도 효율적으로 명령어를 처리하기 위해 하드웨어 인터럽트를 사용한다.
  • 하드웨어 인터럽트를 사용하면 완료 여부를 주기적으로 검사하지 않고, 인터럽트를 받을 때까지 다른 작업을 처리할 수 있다.

하드웨어 인터럽트 처리 순서

  1. 입출력장치는 CPU에 인터럽트 요청 신호를 보낸다.
  2. CPU는 실행 사이클이 끝나고 인출하기 전 항상 인터럽트 여부를 확인한다.
  3. 인터럽트 요청이 있다면 인터럽트 플래그를 통해 현재 인터럽트를 받아들일 수 있는 지 여부를 확인한다.
  4. 받아들일 수 있다면 CPU는 지금까지의 작업을 백업한다.
  5. 인터럽트 벡터를 참조하여 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.
  6. 인터럽트 서비스 루틴 실행이 끝나면 4.에서 백업해 둔 작업을 복구하여 실행을 재개한다.
  • 인터럽트 중에서도 정전이나 하드웨어 고장 등으로 인한 인터럽트는 인터럽트 플래그로도 막을 수 없는 인터럽트이다.
  • 인터럽트 서비스 루틴(ISR, interrupt service routine)은 인터럽트를 처리하기 위한 프로그램이다.
    • 인터럽트 핸들러(interrupt handler) 라고도 불린다.
    • 어떤 인터럽트가 발생했을 때 해당 인터럽트를 어떻게 처리하고 작동해야 할지에 대한 정보로 이루어진 프로그램이다.
  • 수많은 인터럽트 서비스 루틴을 구분하기 위해 인터럽트 벡터(interrupt vector)를 이용한다.
    • 인터럽트 벡터에 인터럽트 서비스 루틴의 메모리상 시작 주소가 나타나 있다.
    • 하드웨어 인터럽트 요청을 보낸 대상으로부터 데이터 버스를 통해 인터럽트 벡터를 전달받는다.
  • 인터럽트 서비스 루틴도 프로그램이므로 명령어와 데이터로 이루어져 있고, 프로그램 카운터를 비롯한 레지스터를 사용하며 실행된다.
  • 그래서 인터럽트 서비스 루틴을 실행 전 프로그램 실행을 재개하기 위한 모든 내용을 스택에 백업한다.
  • 그러고 나서 인터럽트 서비스 루틴의 시작 주소가 위치한 곳으로 프로그램 카운터 값을 갱신하고 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.
  • 인터럽트가 발생하면 명령어 사이클에 인터럽트 사이클도 추가된다(?원래 4개의 사이클로 이루어져 있다?)



예외의 종류

  • 예외에는 폴트, 트랩, 중단, 소프트웨어 인터럽트가 있다
  • 예외가 발생하면 CPU는 하던 일을 중단하고 해당 예외를 처리한다.
  • 처리하고 난 뒤 다시 본래 작업으로 되돌아와 실행을 재개한다.
  • 폴트(fault)
    • 예외를 처리한 직후 예외가 발생한 명령어부터 실행을 재개하는 예외.
    • 페이지 폴트 등이 있네요
  • 트랩(trap)
    • 예외를 처리한 직후 예외가 발생한 명령어의 다음 명령어부터 실행을 재개.
    • 주로 디버깅할 때 사용
  • 중단(abort)
    • CPU가 실행 중인 프로그램을 강제로 중단시킬 수밖에 없는 심각한 오류 발견 시 발생하는 예외
  • 소프트웨어 인터럽트(software interrupt)
    • 시스템 호출 발생 시



정리

  • ALU는 레지스터로부터 피연산자를 받고, 제어장치로부터 제어 신호를 받는다.
  • ALU는 연산 결과와 플래그를 내보낸다.
  • 제어장치는 클럭, 현재 수행할 명령어, 플래그, 제어 신호를 받아들인다.
  • 제어장치는 CPU 내부와 외부로 제어 신허를 내보낸다.
  • 프로그램 카운터는 메모리에서 가져올 명령어의 주소, 명령어 레지스터는 해석할 명령어를 저장한다.
  • 메모리 주소 레지스터는 메모리의 주소, 메모리 버퍼 레지스터는 메모리와 주고받을 데이터를 저장한다.
  • 범용 레지스터는 데이터와 주소를 모두 저장하고, 플래그 레지스터는 연산 결과 혹은 CPU 상태에 대한 부가 정보를 저장한다.
  • 스택 포인터는 스택 최상단의 위치를 저장
  • 베이스 레지스터에 저장된 주소는 기준 주소로서의 역할을 한다.
  • 명령어 사이클은 하나의 명령어가 처리되는 주기로, 인출, 실행, 간접, 인터럽트 사이클로 구성되어 있다.
  • 인터럽트는 CPu의 정상적인 작업을 방해하는 신호
  • 인터럽트의 종류에는 예외와 하드웨어 인터럽트가 있다
  • 인터럽트 서비스 루틴은 인터럽트를 처리하기 위한 동작들로 이루어진 프로그램.

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