04-1. ALU와 제어 장치

ALU

레지스터를 통해 피연산자를 받아들임
제어장치로부터 수행할 연산을 알려주는 제어신호를 받아들임
계산 결과와 함께 플래그를 내보냄

⇒ 해당 플래그들은 플래그 레지스터에 저장됨

제어장치

제어 신호를 내보내고 명령어를 해석하는 부품
제어 장치가 받아들이는 정보
1. 클럭 신호를 받아들임
2. 해석해야 할 명령어를 받아들임
3. 플래그 레지스터 속 플래그 값을 받아들임
4. 시스템 버스 중에서 제어 버스로 전달된 제어 신호를 받아들임

04-2. 레지스터

반드시 알아야 할 레지스터

1. 프로그램 카운터(PC: Program Counter)

메모리에서 읽어 들일 명령어의 주소를 저장
이를 명령어 포인터(IP: Instruction Pointer)라고 부르는 CPU도 있음

2. 명령어 레지스터(IR: Instruction Register)

방금 메모리에서 읽어 들인 명령어를 저장하는 레지스터
제어장치는 명령어 레지스터 속 명령어를 받아들이고 해석한 뒤 제어신호를 내보냄

3. 메모리 주소 레지스터(MAR: Memory Address Register)

메모리의 주소를 저장하는 레지스터
CPU가 읽어들이고자 하는 주소 값을 주소 버스로 보낼 때 메모리 주소 레지스터를 거치게 됨

4. 메모리 버퍼 레지스터(MBR: Memory Buffer Register)

메모리와 주고 받을 값을 저장하는 레지스터
메모리에 쓰고 싶은 값이나 메모리로부터 전달받은 값은 메모리 버퍼 레지스터를 거침

5. 플래그 레지스터(flag register)

연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보를 저장하는 레지스터

6. 범용 레지스터

다양하고 일반적인 상황에서 자유롭게 사용할 수 있는 레지스터
데이터와 주소를 모두 저장할 수 있음
일반적으로 CPU 안에는 여러 개의 범용 레지스터들이 있고, 현대 대다수 CPU는 모두 범용 레지스터를 가지고 있음

7. 스택 포인터

스택 주소 지정 방식에 사용됨

8. 베이스 레지스터

변위 주소 지정 방식에 사용됨

특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식(1): 스택 주소 지정 방식

스택과 스택 포인터를 이용한 방식
스택 포인터는 스택의 마지막으로 저장한 값의 위치를 저장하는 레지스터
메모리 안에 스택처럼 사용할 영역이 정해져 있음

⇒ 스택 영역으로 다른 주소 공간과는 스택으로 사용되도록 암묵적으로 약속된 영역

특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식(2): 변위 주소 지정 방식

오퍼랜드 필드의 값(변위)과 특정 레지스터의 값을 더하여 유표 주소를 얻어내는 방식
연산 코드 필두, 레지스터 필드, 오퍼랜드 필드로 구성되어있음
오퍼랜드 필드의 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
만약 오퍼랜드가 음수인 -3이였다면 CPU는 읽어들이기 한 명령어로부터 세번째 이전의 번지로 접근함

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

04-3. 명령어 사이클과 인터럽트

명령어 사이클

프로그램 속 각각의 명령어들이 일정한 주기가 반복되며 실행되는 것

⇒ 프로그램 속 각각 명령어들은 명령어 사이클이 반복되며 실행
인출 사이클: 메모리에 있는 명령어를 CPU로 가지고 오는 단계

⇒ 명령어 사이클의 첫 번째 과정
실행 사이클: CPU로 가져온 명령어를 실행하는 단계

⇒ 제어장치가 명령어 레지스터에 담긴 값을 해석하고 제어신호를 발생 시키는 단계
간접 사이클: 명령어를 인출하여 CPU를 가져왔더라도 바로 실행할 수 없는 단계에서 실행하는 사이클

⇒ 간접 주소 지정 방식은 오퍼랜드 필드에 유효 주소의 주소를 명시함

인터럽트

CPU가 수행 중인 작업이 방해를 받아 중단될 수 있음 ⇒ 이때 CPU의 작업을 방해하는 신호를 인터럽트라고 함

동기 인터럽트

CPU에 의해 발생하는 인터럽트
CPU가 명령어들을 수행하다가 예상치 못한 상황에 마주쳤을 때 발생하는 인터럽트
동기 인터럽트는 예외라고도 부름

비동기 인터럽트

주로 입출력장치에 의해 발생하는 인터럽트
입출력장치에 의한 비동기 인터럽트는 알림과 같은 역할을 함
CPU가 프린터와 같은 입출력 장치에 입출력 작업을 부탁하면 작업을 끝낸 입출력장치가 CPU에 완료 알림을 보냄
일반적으로 비동기 인터럽트를 인터럽트라 부름

처리 순서

입출력 장치는 CPU에서 인터럽트 요청 신호를 보냄
- 인터럽트 요청 신호: CPU의 정상적인 실행 흐름을 끊기 전에 물어보는 것
CPU는 실행 사이클이 끝나고 명령어를 인출하기 전 항상 인터럽트 여부를 확인
CPU는 인터럽트 요청을 확인하고 인터럽트 플래그를 통해 현재 인터럽트를 받아들일 수 있는지의 여부 확인
- 인터럽트 플래그: CPU가 인터럽트 요청을 수행하기 위해 활성화 되어야하는 플래그 레지스터
인터럽트를 받아들일 수 있다면 CPU는 지금까지의 작업을 백업
CPU는 인터럽트 벡터를 참조하여 인터럽트 서비스 루틴을 실행
- 서비스 루틴: 인터럽트를 처리하기 위한 프로그램으로 인터럽트 핸들러라도고 부름
- 인터럽트 벡터: 서비스 루틴을 식별하기 위한 정보
인터럽트 서비스 루틴 실행이 끝나면 4번에서 백업해둔 작업을 복구하여 실행 재개