혼공 컴+운 chapter.04 CPU의 작동원리

04-1. ALU와 제어장치

ALU

ALU는 계산하는 부품. 

ALU가 계산을 하기 위해서는 피연산자와 수행할 연산이 필요하다. 

- ALU는 레지스터를 통해 피연산자를 받아들이고, 제어장치로부터 수행할 연산을 알려주는 제어 신호를 받아들인다. 

ALU가 내보내는 정보 : 계산 결과와 더불어 플래그를 내보낸다. 

- 결과값뿐만 아니라 연산 결과에 대한 추가적인 정보를 내보내야 할 때가 있다. ex) 연산 결과가 음수일 때 ALU는 "방금 계산한 결과는 음수"라는 추가 정보를 내보낸다. 

이러한 연산 결과에 대한 추가적인 상태 정보를 플래그 라고 한다. 

플래그 종류	의미	사용예시
부호 플래그	연산한 결과의 부호를 나타낸다	부호 플래그가 1일 경우 계산 결과는 음수, 0일 경우 계산 결과는 양수
제로 플래그	연산 결과가 0인지 여부를 나타낸다	제로 플래그가 1일 경우 연산 결과는 0, 0일 경우 연산 결과는 0이 아님을 의미
캐리 플래그	연산 결과 올림수나 빌림수가 발생 했는 지를 나타낸다.	캐리플래그가 1일 경우 올림수나 빌림수가 발생했음을 의미. 0일 경우 발생하지 않음.
오버플로우 플래그	오버플로우가 발생했는지를 나타낸다	오버플로우 플래그가 1일 경우 오버플로우가 발생했음을 의미. 0일 경우 발생하지 않았음을 의미
인터럽트 플래그	인터럽트가 가능한지를 나타낸다.	인터럽트 플래그가 1일 경우 인터럽트가 가능함을 의미. 0일 경우 인터럽트가 불가능
슈퍼바이저 플래그	커널 모드로 실행 중인지, 사용자 모드로 실행 중인지를 나타낸다.	슈퍼바이저 플래그가 1일 경우 커널 모드로 실행 중. 0일 경우 사용자 모드로 실행 중

플래그 들은 -> 플래그 레지스터 라는 레지스터에 저장. 

제어장치

제어장치 : 제어신호를 내보낸다.

제어신호 : 컴퓨터 부품들을 관리하고 작동시키기 위한 일종의 전기 신호- 제어 장치가 받아들이는 정보

1. 제어장치는 클럭 신호를 받아들인다. 

클럭 : 모든 부품을 일사불란하게 움직일 수 있게 하는 시간 단위

2. 제어장치는 '해석해야 할 명령어'를 받아들인다CPU가 해석해야 할 명령어는 명령어 레지스터에 저장된다.

제어장치는 이 명령어 레지스터로부터 해석할 명령어를 받아들이고 해석한 뒤, 제어 신호를 발생시켜 컴퓨터 부품들에 수행해야 할 내용을 알려준다.

3. 제어장치는 플래그 레지스터 속 플래그 값을 받아들인다.

4. 제어장치는 시스템 버스, 그중에서 제어 버스로 전달된 제어신호를 받아들인다. 

 

확인문제

4-2. 레지스터

반드시 알아야 할 레지스터

1. 프로그램 카운터 : 메모리에서 가져올 명령어의 주소, 즉 메머리에서 읽어 들일 명령어의 주소를 저장

2. 명령어 레지스터 : 해석할 명령어, 즉 방금 메모리에서 읽어 들인 명령어를 저장하는 레지스터

3. 메모리 주소 레지스터 : 메모리의 주소를 저장하는 레지스터

4. 메모리 버퍼 레지스터 : 메모리와 주고받을 값(데이터와 명령어)을 저장하는 레지스터

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1) CPU로 실해할 프로그램이 1000번지부터 1500번지까지 저장되어 있다고 가정. 1000번지에는 1101(2)이 저장되어 있다고 가정.

2) 프로그램을 처음부터 실해하기 위해 프로그램 카운터에는 1000이 저장. 이는 메모리에서 가져올 명령어가 1000번지에 있다는 걸 의미한다.

3) 1000번지를 읽어 들이기 위해서는 주소 버스로 1000번지를 내보내야 한다. 이를 위해 메모리 주소 레지스터에는 1000이 저장된다. 

4) '메모리 읽기' 제어 신호와 메모리 주소 레지스터 값이 각각 제어 버스와 주소 버스를 통해 메모리로 보내진다.

5) 메모리 1000번지에 저장된 값은 데이터 버스를 통해 메모리 버퍼 레지스터로 전달되고, 프로그램 카운터는 증가되어 다음 명령어를 읽어 들일 준비를 한다. 

6) 메모리 버퍼 레지스터에 저장된 값은 명령어 레지스터로 이동한다

7) 제어장치는 명렁어 레지스터의 명령어를 해석하고 제어 신호를 발생시킨다.

프로그램 카운터는 지속적으로 증가하며 계속해서 다음 명령어를 읽어 들일 준비를 한다. 이 과정이 반복되면서 CPU는 프로그램을 차례대로 실행해 나간다. 

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5. 범용 레지스터 : 다양하고 일반적인 상황에서 자유롭게 사용할 수 있는 레지스터. 메모리 버퍼 레지스터는 데이터 버스로 주고 받을 값만 저장하고, 메모리 주소 레니스터는 주소 버스로 내보낼 주소값만 저장하지만 범용 레지스터는 데이터와 주소를 모두 저장할 수 있다. 

6. 플래그 레지스터 : 연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보를 저장하는 레지스터

특정 레지스터를 이요한 주소 지정방식(1): 스택 주소 지정 방식

스택 포인터 : 스택 주소 지정 방식이라는 주소 지정 방식에 사용. 스택의 꼭대기를 가리키는 레지스터. 스택에 마지막으로 저장한 값의 위치를 저장하는 레지스터

스택 주소 지정 방식 : 스택과 스택 포인터를 이용한 주소 지정 방식. 스택 영역 : 메모리 안에 스택처럼 사용할 영이 정해져 있다. 

특정 레지스터를 이요한 주소 지정방식(2): 변위 주소 지정 방식

변위 주소 지정 방식 : 오퍼랜드 필드의 값과 특정 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻어내는 주소 지정 방식. 변위 주소 지정 방식을 사용하는 명령어는 연산 코드 필드, 어떤 레지스터의 값과 더할 지를 나타내는 레지스터 필드, 그리고 주소를 담고 있는 오퍼랜드 필드가 있다. 

변위 주소 지정 방식은 오퍼랜드 필드의 주소와 어떤 레지스터를 더하는지에 따라 상대 주소 지정방식, 베이스 레지스터 주소 지정방식으로 나뉜다. 

상대 주소 지정 방식 : 오퍼랜드와 프로그램 카운터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식 ex) 오퍼랜드가 음수 -3이면 CPU는 읽어들이기로 한 명령어로부터 '세 번째 이전 번지'로 접근

베이스 레지스터 주소 지정 방식 : 오퍼랜드와 베이스 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식 ex) 베이스 레지스터에 200이라는 값이 있고 오퍼랜드가 40이라면 "기준 주소 200번지로부터 40만큼 떠어진 240번지에 접근하라"는 의미

 

필수문제

2. 설명에 맞는 레지스터를 보기에서 찾아 빈칸을 채워 보세요.

보기 : 프로그램 카운터, 명령어 레지스터, 플래그 레지스터, 범용 레지스터

• (플래그레지스터) : 연산 결과 혹은 CPU 상태에 대한 부가 정보를 저장하는 레지스터
• (프로그램카운터) : 메모리에서 가져올 명령어의 주소를 저장하는 레지스터
• (범용레지스터) : 데이터와 주소를 모두 저장할 수 있는 레지스터
• (명령어레지스터) : 해석할 명령어를 저장하는 레지스터

4-3 명령어 사이클과 인터럽트

CPU는 정해진 흐름에 따라 명령어를 처리해 나가지만, 이 흐름이 끊어지는 상황이 발생한다. 이걸 인터럽트 라고 한다.

명령어 사이클

명령어 사이클 : 각각의 명령어들은 일정한 주기가 반복되며 실행.

인출 사이클 : 메모리에 있는 명령어를 CPU로 가지고 오는 단계실행 사이클 : CPU로 가져온 명령어를 실행하는 단계(제어장치가 명령어 레지스터에 담긴 값을 해석하고, 제어 신호를 발생시키는 단계)간접 사이클 : 간점 주소 지정 바식은 오퍼랜드 필드에 유효 주소의 주소를 명시한다. 이 경우 명령어를 인출하여 CPU로 가져 왔다 하더라도 바로 실행 사이클에 돌입할 수 없다. 명령어를 실행하기 위해서 메모리 접근을 한 번더 하는 단계

인터럽트

인터럽트 : CPU의 작업을 방해하는 신호

• 동기 인터럽트 : CPU에 의해 발생하는 인터럽트. CPU가 실행하는 프로그래밍상의 오류와 같은 예외적인 상황에 마주쳤을 때 발생하는 인터럽트. 예외라고 부른다.
• 비동기 인터럽트 : 입출력장치에 의해 발생하는 인터럽트. 인터럽트(하드웨어 인터럽트)라 부른다.
  • CPU가 프린터와 같은 입출력장치에 입출력 작업을 부탁하면 작업을 끝낸 입출력장치가 CPU에 완료 알림을 보낸다.
  • 키보드, 마우스와 같은 입출력장치가 어떠한 입력을 받아들였을 때 이를 처리하기 위해 CPU에 입력 알림을 보낸다.

하드웨어 인터럽트

CPU는 입출력 작업 도중에도 효율적으로 명령어를 처리하기 위해 이런 알림과 같은 하드웨어 인터럽트를 사용.

하드웨어 인터럽트를 이용하면 CPU는 주기적으로 프린트 완료 여부를 확인할 필요가 없다. CPU는 프린터로부터 프린터 완료 인터럽트를 받을 때까지 다른 작업을 처리할 수 있다.

하드웨어 인터럽트 처리 순서

1. 입출력장치는 CPU 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 있는 지 여부를 확인한다.
4. 인터럽트를 받아들일 수 있다면 CPU는 지금까지의 작업을 백업한다.
5. CPU는 인터럽트 벡터를 참조하여 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.
6. 인터럽트 서비스 루틴 실행이 끝나면 4에서 백업해 둔 작업을 복구하여 실행을 재개한다.
   • 인터럽트 요청 신호 : CPU의 작업을 방해하는 인터럽트에 대한 요청
   • 인터럽트 플래그 : 인터럽트 요청 신호를 받아들일지 무시할지를 결정하는 비트
   • 인터럽트 벡터 : 인터럽트 서비스 루틴의 시작 주소를 포함하는 인터럽트 서비스 루틴의 식별 정보
   • 인터럽트 서비스 루틴 : 인터럽트를 처리하는 프로그램