CPU의 작동 원리

01. ALU와 제어장치

• ALU와 제어장치가 내보내고 받아들이는 정보가 무엇인가 ?

ALU : 계산하는 장치

• 레지스터로부터 피연산자를 받아들이고, 제어장치로부터 제어 신호를 받아들인다.

• 메모리가 아닌, 레지스터에 저장하는 이유는?
  > CPU가 레지스터에 접근하는 속도가 CPU가 메모리에 접근하는 속도보다 빠르기 때문이다.

• 계산 결과값 외에 ALU가 내보내는 또 다른 정보 👉🏻 플래그

플래그

• 음수와 양수를 구분하기위해 사용된다.
• '방금 계산한 결과는 음수', '결괏값이 너무 크다'라는 연산 결과의 추가적인 상태 정보를 내보내는 것

💡 연산 결과가 연산 결과를 담을 레지스터보다 큰 상황을 **오버플로우(overflow)라고 한다.

• 플래그는 CPU가 프로그램을 실행하는 도중 반드시 기억해야 하는 일종의 참고 정보이다.
• 플래그들은 플래그 레지스터라는 레지스터에 저장된다. (플래그를 저장하는 값을 저장하는 레지스터)

제어장치 : 제어 신호를 발생시키고 명령어를 해석하는 장치

• 제어신호 : 컴퓨터 부품들을 관리하고 작동시키기 위한 일종의 전기신호

1. 제어장치는 클럭 신호를 받아들인다.

   • 클럭(clock) : 컴퓨터의 모든 부품을 일사불란하게 움직일 수 있게 하는 시간 단위.
   • 주기에 맞춰 한 레지스터에서 다른 레지스터로 이동, ALU에서 연산 수행, CPU가 메모리에 저장된 명령어를 읽어들이는 것들.
   • But, 컴퓨터의 모든 부품이 클럭신호에 맞춰 작동하는 것을 모든 부품이 한 클럭마다 이동한다는 것이 아니라 하나의 명령어가 여러 클럭에 걸쳐 실행될 수 있다.

2. 제어장치는 현재 해석해야 할 명령어를 받아들인다.

   • CPU가 해석해야 할 명령어는 명령어 레지스터라는 특별한 레지스터에 저장된다.
   • 레지스터로부터 해석할 명령어를 받아들이고 해석한 뒤, 제어신호를 발생시켜 컴퓨터 부품들에 수행할 내용을 알려준다.

3. 제어장치는 플래그 레지스터 속 플래그 값을 받아들인다.

   • 제어장치는 플래그 값을 받아들이고 이를 참고해 제어 신호를 발생한다.

4. 제어장치는 시스템 버스, 그 중에서 제어 버스로 전달된 제어 신호를 받아들인다.

   • CPU 내부와 외부로 제어신호를 보낸다.
     • 크게 메모리에 전달하는 제어신호
     • 입출력장치(보조기억장치 포함)에 전달하는 제어신호

02. 레지스터

• 레지스터 속 값을 유심히 관찰하면 프로그램을 실행할 때 CPU 내에서 무슨일이 벌어지는지, 어떤 명령어가 어떻게 수행되는지 알 수 있다.
• CPU안에 다양한 레지스터들의 어떤 역할을 할까 ?

반드시 알아야 할 레지스터

프로그램 카운터 (PC : Program Counter)

• 메모리를 가져올 명령어의 주소 즉, 메모리에서 일어 들일 명령어 주소를 저장한다.
• 명령어 포인터(IP : Instruction Pointer)라고 부르는 CPU도 있다.

명령어 레지스터 (IR : Instruction Register)

• 해석할 명령어, 즉 방금 메모리에서 읽어 들인 명령어를 저장하는 레지스터

메모리 주소 레지스터 (MAR : Memory Address Register)

• 메모리의 주소를 저장하는 레지스터
• 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
• 메모리 데이터 레지스터(MDR : Memory Data Register)라고도 부른다.

플래그 레지스터

• 연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보를 저장하는 레지스터

범용 레지스터

• 이름 그대로 다양하고 일반적인 상황에서 자유롭게 사용할 수 있는 레지스터

스택 레지스터

• 스택과 스택 포인터를 이용한 스택 주소 지정 방식
• 스택 포인터 : 스택의 꼭대기를 가리키는 레지스터 (스택이 어디까지 차 있는지에 대한 표시)

베이스 레지스터

• 오퍼랜드 필드의 값(변위)과 특정 레지스터의 값을 더하여 유효 주소 얻는 방식

순차적인 실행 흐름이 끊기는 경우

1. 명령어 중 JUMP, CONDITIONAL JUMP, CALL, RET와 같이 특정 메모리 주소로 실행 흐름을 이동하는 명령어가 실행되었을 때 프로그램은 차례대로 실행되지 않는다.
   이 경우 프로그램 카운터에는 변경된 주소가 저장된다.
2. 인터럽트가 발생하면 프로그램의 순차적인 실행 흐름이 끊긴다.

특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식(1) : 스택 주소 지정 방식

• 스택 포인터
  • 스택 주소 지정 방식이라는 주소 지정 방식에 사용된다.
  • 프로그램 카운터와 베이스 레지스터는 변위 주소 지정 방식이라는 주소 지정 방식에 사용된다.
• 스택 주소 지정 방식
  • 스택과 스택 포인터를 이용한 주소 지정 방식
  • 스택은 한쪽 끝이 막혀 있는 통과 같은 저장 공간이다.
  • 가장 최근에 저장하는 값부터 꺼낸다.
• 스택 포인터
  • 스택의 꼭대기를 가리키는 레지스터
  • 즉, 스택 포인터는 스택에 마지막으로 저장된 값의 위치를 저장하는 레지스터이다.
• 스택
  • 메모리 안에 스택처럼 사용할 영역이 정해져있다.
  • 이를 스택 영역이라 한다.
  • 다른 주소 공간과는 다르게 스택처럼 사용하기로 암묵적으로 약속된 영역이다.

특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식(2) : 변위 주소 지정 방식

• 오퍼랜드 필드의 값(변위)과 특정 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻어내는 주소 지정 방식
• 오퍼랜드 필드의 주소와 어떤 레지스터를 더하는지에 따라 상대 주소 지정 방식, 베이스 레지스터 주소 지정 방식 등으로 나뉜다.
• CPU의 종류에 따라 다양한 방식들이 있지만, 여기선 두 가지 방식을 다뤄보자.

상대 주소 지정 방식 (relative addressing mode)

• 오퍼랜드와 프로그램 카운터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식.
• 프로그래밍 언어의 if문과 유사하게 모든 코드를 실행하는 것이 아닌, 분기하여 특정 주소의 코드를 실행할 때 사용된다.

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

• 오퍼랜드와 베이스 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식.
• 베이스 레지스터 속 기준 주소로부터 얼마나 떨어져 있는 주소에 접근할 것인지를 연산하여 유효주소를 얻어내는 방식이다.

03. 명령어 사이클과 인터럽트

명령어 사이클 (instruction cylcle)

• CPU는 명령어들을 하나씩 실행하는데 프로그램 속 각각의 명령어들은 일정한 주기(정형화된 흐름)가 반복되며 실행되는데, 이 주기(정형화된 흐름)를 명령어 사이클이라 부른다.
• CPU는 인출, 실행이 반복되면서 실행된다.

1. 메모리에 있는 명령어를 CPU로 가지고 오는 단계를 **인출 사이클(fetch cycle)**이라 한다.
2. CPU로 가져온 명령어를 실행하는 단계를 **실행 사이클(execution cycle)**이라 한다.

인터럽트 (interrupt : 방해, 중단)

• CPU는 정해진 흐름에 따라 명령어를 처리해 나가지만, 간혹 이 흐름이 끊어지는 상황을 인터럽스라 한다.
• 발생 상황 : CPU가 꼭 주목해야 할 때, CPU가 얼른 처리해야 할 다른 작업이 생겼을 때

• 인터럽트는 크게 두 가지의 종류로 나뉜다.
  • 동기 인터럽트 (synchronous interrupts)
  • 비동기 인터럽트 (asynchronous interrupts)

1️⃣ 동기 인터럽트

• CPU에 의해 발생하는 인터럽트
• CPU가 명령어들을 수행하다가 예상치 못한 상황에 마주쳤을 때, 가령 CPU가 실행하는 프로그래밍상의 오류와 같은 예외적인 상황에 마주쳤을 때 발생한다.
• 이런 점에서 동기 인터럽트는 **예외(exceprion)**라고 한다.
• 동기 인터럽트의 종류 : 폴트, 트랩, 중단, 소프트웨어 인터럽트

2️⃣ 비동기 인터럽트

• 입출력장치에 의해 발생하는 인터럽트
• ex) 세탁기 완료 알림, 전자레인지 조리 완료 알림
  • CPU가 프린트에 입출력 작업을 부탁하면 작업을 끝낸 입출력장치가 CPU에 완료 알림(인터럽트)를 보낸다.
  • 키보드, 마우스가 어떠한 입력을 받아들였을 때, 처리하기 위해 CPU에 입력 알림(인터럽트)를 보낸다.
• 비동기 인터럽트를 인터럽트라 칭하지만, 이 학습에서는 하드웨어 인터럽트라 칭할 것

하드웨어 인터럽트

• 하드웨어가 없는 인터럽트라면 ?
  알림없는 전자레인지가 언제 조리를 끝낼지 모르는 상황에 무작정 전자레인지 앞에서 서성이는 상황과도 같다.

하드웨어 인터럽트 처리 순서

• CPU가 하드웨어 인터럽트를 어떻게 처리할까 ?
• 대동소이 : 크게 보면 같고 작은 차이만이 있다.

1. 입출력장치는 CPU에 인터럽트 요청 신호를 보낸다.
2. CPU는 실행 사이클이 끝나고 명령어를 인출하기 전 항상 인터럽트 여부를 확인한다.
3. CPU는 인터럽트 요청을 확인하고 인터럽트 플래그를 통해 현재 인터럽트를 받아들일 수 있는지 여부를 확인한다.
4. 인터럽트를 받아들일 수 있다면 CPU는 지금까지의 작업을 백업한다.
5. CPU는 인터럽트 벡터를 참조해 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.
6. 인터럽트 서비스 루틴 실행이 끝나면 4번에서 백업해 둔 작업을 복구하여 실행을 재개한다.

💡 키워드

• 인터럽트 요청 신호 : 다른 누군가가 인터럽트하기 전에 CPU에게 물어보는 신호
• 인터럽트 플래그 : 하드웨어 인터럽트를 받아들일지, 무시할지를 결정하는 플래그
  • 막을 수 있는 인터럽트, 막을 수 있는 인터럽트로 나뉜다.
  • 막을 수 없는 인터럽트는 정전, 하드웨어 고장인 상황이 해당된다.
• 인터럽트 서비스 루틴(ISR : Interrupt Service Routine) : 인터럽트를 처리하기 위한 동작들로 이루어진 프로그램
  • 인터럽트 핸들러(interrupt handler)라고도 부른다.
  • 어떤 인터럽트가 발생했을 때 해당 인터럽트를 어떻게 처리하고 작동해야 할지에 대한 정보로 이루어진 프로그램.
• 인터럽트 벡터(interrupt vector) : 인터럽트 서비스 루틴을 식별하기 위한 정보
  • 인터럽트 벡터를 알면 인터럽트 서비스 루틴의 시작주소를 알 수 있기에 CPU는 인터럽트 벡터를 통해 특정 인터럽트 서비스 루틴을 처음부터 실행할 수 있다.
  • CPU는 하드웨어 인터럽트 요청을 보낸 대상으로부터 데이터 버스를 통해 인터럽트 벡터를 전달받는다.

1. 정상적으로 작업 진행
2. 인터럽트 발생
3. 인터럽트 서비스 루틴으로 점프
4. 인터럽트 서비스 루틴 실행
5. 기존 작업으로 점프
6. 기존 작업 수행 재개

• 기존 CPU가 작업하던 내역들은 백업공간인 스택에 쌓인다.
• 입출력 장치마다 처리하는 방법이 달라 각기 다른 인터럽트 서비스 루틴을 가지고 있으며, '인터럽트가 밠애하면 어떻게 행동해야 할지를 알려주는 프로그램'으로 보면 된다.
• CPU는 수많은 인터럽트 서비스 루틴을 구분하기 위해 인터럽트 벡터를 이용한다.

👉🏻 총 정리
명령어 사이클은 인출, 실행, 간접, 인터럽트 사이클로 구성되어있다.
인터럽트 서비스 루틴을 실행하고, 본래 수행하던 작업으로 다시 되돌아온다.