📚 Chapter04 CPU의 작동 원리

⚙️ 4-1. ALU와 제어장치

• ALU

<aside> 💡 🔧 ALU는 CPU의 내부 구성 요소 중 하나로 다른 구성요소들로부터 정보를 받아 연산을 한 뒤 정보를 내보내는 역할을 한다.

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• 플래그 레지스터

  • 플래그 레지스터는 ALU가 연산하고 나온 결괏값에 대한 플래그를 저장하는 레지스터이다.
  • 플래그 종류

  플래그 종류	의미	사용 예시
  부호 플래그	연산한 결과의 부호를 나타낸다	플래그가 1이면 음수, 0이면 양수
  제로 플래그	연산 결과가 0인지 여부를 나타낸다	플래그그가 1이면 0, 플래그가 0이면 1
  캐리 플래그	연산 결과 올림수나 빌림수가 발생했는지를 나타낸다	플래그가 1이면 빌림수 발생, 0이면 그렇지 않음
  오버플로우 플래그	오버플로우가 발생했는지를 나타낸다	플래그가 1이면 오버플로우 발생, 0이면 그렇지 않음
  인터럽트 플래그	인터럽트가 가능한지를 나타낸다	플래그가 1이면 인터럽트 가능, 0이면 불가능
  슈퍼바이저 플래그	커널 모드로 실행 중인지, 사용자 모드로 실행 중인지를 나타낸다.	플래그가 1이면 커널 모드 실행중, 0이면 사용자 모드 실행중

• 제어장치

<aside> 🔧 ⚙️ 제어장치는 제어 신호를 내보내고 명령어를 해석하는 CPU의 내부구성요소

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• 제어 신호는 컴퓨터 부품들을 관리하고 작동시키기 위한 전기 신호
  • 제어장치의 입출력 정보 정리
    • 입력 정보(제어 장치가 받아들이는 것)
      1. 클럭 신호 : 부품 작동의 시간 단위가 되는 신호로, 제어장치의 동작 타이밍을 결정함
      2. 명령어 : CPU가 수행해야 할 명령어를 받아들이며, 이는 명령어 레지스터(IR)에 저장됨
      3. 플래그 : ALU 연산 결과에 따라 설정된 상태값을 받아들이고, 이를 참고하여 적절한 제어 신호를 생성함
      4. 제어 버스를 통한 외부 제어 신호 : 메모리, 입출력 장치 등 CPU 외부에서 발생한 제어 신호를 제어 버스를 통해 받아들
    • 출력 정보(제어장치가 내보내는 것)
      1. 제어신호 : ALU, 레지스터, 메모리, 입출력 장치 등에 전달되는 전기 신호로, 이들의 동작을 지시하거나 제어함

📊 4-2. 레지스터

• 반드시 알아야 할 레지스터
  1. 프로그램 카운터 : 메모리에서 읽어 들일 명령어의 주소를 저장한다.
  2. 명령어 레지스터 : 메모리에서 읽어 들인 명령어를 저장한다.
  3. 메모리 주소 레지스터 : 메모리 주소를 저장한다. 주소 값을 주소 버스로 보낼때 거친다.
  4. 메모리 버퍼 레지스터 : 메모리와 주고받을 값(데이터와 명령어)를 저장한다. 데이터 버스로 주고 받을 값이 거친다.
  5. 플래그 레지스터
  6. 범용 레지스터 : 자유롭게 사용가능한 레지스터. 데이터와 주소 모드 저장 가능하다
  7. 스택 포인터 : 스택영역의 마지막에 저장한 값의 위치를 저장하는 레지스터. 스택 주소 지정 방식에 사용된다.
  8. 베이스 레지스터 : ‘기준 주소’를 저장하는 레지스터. 베이스 레지스터 주소 지정 방식에서 오퍼랜드와 베이스 레지스터에 저장된 ‘기준 주소’를 더하여 유효 주소를 얻는다.

🔄 4-3. 명령어 사이클

• 명령어 사이클

  <aside> 🔄 🔄 명령어 사이클은 인출 사이클과 실행 사이클로 구성되며, 경우에 따라 간접 사이클이 추가될 수 있다.

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  1. 인출 사이클 (Fetch Cycle) : 메모리에서 CPU로 명령어를 가져오는 단계
  2. 실행 사이클 (Execution Cycle) : CPU로 인출한 명령어를 실행하는 단계
  3. 간접 사이클 (Indirect Cycle) : 간접 주소 지정 방식에서 유효 주소를 얻기 위해 메모리에 한 번 더 접근하는 단계
  • 간접 주소 지정 방식에서는 오퍼랜드 필드에 유효 주소의 주소를 명시하므로 명령어 실행을 위해 추가 메모리 접근이 필요하다.

• 인터럽트

  <aside> ⚠️ ⚠️ 인터럽트는 CPU의 작업을 방해하는 신호를 말한다.

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  • 인터럽트의 종류
    1. 동기 인터럽트 (Synchronous Interrupt) : CPU에 의해 발생하는 인터럽트. 명령어를 수행하다가 예상치 못한 상황에 마주쳤을 때 발생. 예외(Exception)라고 부른다.
    2. 비동기 인터럽트 (Asynchronous Interrupt) : 주로 입출력장치에 의해 발생하는 인터럽트. 알림과 비슷한 역할. 하드웨어 인터럽트라고도 부른다.
    • 예시: 프린터에게 입출력 작업을 부탁하면 작업을 마친 프린터가 CPU에게 완료 알림(인터럽트)을 보낸다.
  • 하드웨어 인터럽트 처리 순서
    1. 입출력장치는 CPU에 인터럽트 요청 신호를 보냅니다.
    2. CPU는 실행 사이클이 끝나고 령어를 인출하기 전 항상 인터럽트 여부를 확인합니다.
    3. CPU는 인터럽트 요청을 확인하고 인터럽트 플래그를 통해 현재 인터럽트를 받아들일 수 있는지 여부를 확인합니다.
    4. 인터럽트를 받아들일 수 있다면 CPU는 지금까지의 작업을 백업합니다.
    5. CPU는 인터럽트 벡터를 참조하여 인터럽트 서비스 루틴을 실행합니다.
    6. 인터럽트 서비스 루틴 실행이 끝나면 4에서 백업해 둔 작업을 복구하여 실행을 재개합니다.
  • 인터럽트 관련 용어
    1. 인터럽트 요청 신호 : CPU에게 인터럽트가 가능한지 물어보는 신호. 요청 수용을 위해서는 인터럽트 플래그가 활성화되어 있어야 함.
    2. 인터럽트 플래그 : 하드웨어 인터럽트를 받아들일지, 무시할지 결정하는 플래그. 인터럽트 플래그로 막을 수 있는 인터럽트와 막을 수 없는 인터럽트가 있다.
    3. 인터럽트 서비스 루틴 : 인터럽트를 처리하기 위한 프로그램. 인터럽트 핸들러라고도 부른다. 입출력장치마다 서로 다른 루틴을 가지고 있다.
    4. 인터럽트 벡터 : 서로 다른 루틴을 식별하기 위한 정보

  <aside> 💾 💾 인터럽트 요청을 받기 전까지 CPU가 수행하고 있었던 작업은 인터럽트 서비스 루틴이 끝나면 마저 수행해야 하기 때문에, 인터럽트 서비스 루틴을 실행하기 전에 프로그램 카운터 값 등 현재 프로그램을 재개하기 위해 필요한 모든 내용을 스택에 백업한다.⚠️ 4-4. 인터럽트

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