섹션 4 | CPU의 작동 원리

🧩 ALU와 제어장치

 

 

1) ALU           : 계산 장치

  - 받아들이는 정보 | 피연산자, 제어신호

  - 내보내는 정보     | 결괏값(숫자, 문자, 주소 등), 플래그(연산 결과에 대한 부가 정보)

 

 

 

 

2) 제어 장치   : 제어 신호 발생시키고 명령어 해석하는 장치

- 받아들이는 정보

  1) 클럭 : 컴퓨터의 모든 부품을 일사불란하게 움직이게 하는 시간 단위

  

  2) 해석할 명령어

  3) 플래그

  4) 제어 신호

 

 

- 내보내는 정보

• CPU 내부에 전달하는 제어 신호 (to 레지스터, ALU)
• CPU 외부에 전달하는 제어 신호 (to 메모리, 입출력장치)

 

 

🧩 레지스터

CPU 내부의 작은 임시 저장 장치

 

 

 

- 프로그램 속 명령어&데이터는 실행 전후로 레지스터에 저장

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

⭐ 반드시 알아야 할 레지스터

1. 프로그램 카운터           : 메모리에서 가져올 명령어 주소 (메모리에서 읽어들일 명령어 주소)

2. 명령어 레지스터           : 해석할 명령어 (방금 메모리에서 읽어들인 명령어)

3. 메모리 주소 레지스터   : 메모리 주소 저장 ← 주소 버스

4. 메모리 버퍼 레지스터   : 메모리와 주고받을 값 (데이터와 명령어) ← 데이터 버스

프로그램 순차 실행 원리 = 프로그램 카운터 1 증가

 

 

➕ 순차적 실행 흐름 끊기는 경우

- 특정 메모리 주소로 실행 흐름 이동하는 명령어 실행 시 (예 : JUMP, CONDITIONAL JUMP, CALL, RET)

- 인터럽트 발생 시

 

 

 

5. 플래그 레지스터 : 연산 결과 / CPU 상태에 대한 부가 정보

6. 범용 레지스터     : 다양하고 일반적 상황에서 자유롭게 사용

7. 스택 포인터         : 스택 꼭대기 가리킴

  ┕ 스택 주소 지정 방식 : 스택과 스택 포인터 이용 (*스택 포인터 : 스택 꼭대기 가리키는 레지스터)

 

8. 베이스 레지스터  : 기준 주소 저장

  ┕ 변위 주소 지정 방식 : 오퍼랜드 필드 값(변위)과 특정 레지스터 값 더해 유효 주소 얻기

 

       ① 상대 주소 지정 방식 : 오퍼랜드 필드 값(변위)과 프로그램 카운터 값 더해 유효 주소 얻기

       ② 베이스 레지스터 주소 지정 방식 : 오퍼랜드 필드 값(변위)과 베이스 레지스터 값 더해유효 주소 얻기

 

 

🧩 명령어 사이클과 인터럽트

1. 명령어 사이클

CPU에서 실행되는 정해진 흐름, 일정한 주기

 

① 인출 사이클 : 가장 먼저 CPU로 가져와야 함.

② 실행 사이클 : 갖고 왔으면 실행

③ 간접 사이클 : 메모리 접근이 더 필요한 경우

④ 인터럽트 사이클 : 인터럽트가 발생한 경우

 

 

2. 인터럽트

CPU가 꼭 주목해야 하거나 얼른 처리해야 할 다른 작업이 생겼을 때, 정해진 신호를 끊는 신호

 

'CPU가 인터럽트 처리한다'
= 인터럽트 서비스 루틴을 실행하고, 본래 수행하던 작업으로 되돌아온다
(+ 인터럽트 시작 주소는 인터럽트 벡터 통해 확인 가능)

 

 

① 동기 인터럽트 (예외)

- CPU가 예기치 못한 상황 접했을 때 발생

- 종류 : 폴트, 트랩, 중단, SW 인터럽트

 

② 비동기 인터럽트 (하드웨어 인터럽트)

- 입출력 작업 도중 효율적으로 명령어 처리하기 위해 사용

- (= 알림) 인터럽트 있다면, 입출력 작업하는 동안 다른 일 수행 가능

- 종류 : 인터럽트 플래그로 막을 수 [있는 / 없는] 인터럽트

 

 

🟨 하드웨어 인터럽트 처리 순서

1) 입출력 장치, CPU에 인터럽트 요청 신호 보냄

2) CPU, 실행 사이클 끝나고 명령어 인출하기 전 항상 인터럽트 여부 확인

3) CPU, 인터럽트 요청 확인하고 인터럽트 플래그 통해 현재 인터럽트 받아들일 수 있는지 여부 확인

4) 인터럽트 받아들일 수 있다면, CPU는 지금까지의 작업 백업

5) CPU, 인터럽트 벡터 참조해 인터럽트 서비스 루틴 실행

6) 인터럽트 서비스 루틴 실행 끝나면, 4에서 백업해둔 작업 복구해 실행 재개

 

 

* 인터럽트 요청 신호     : CPU의 작업 방해하는 인터럽트에 대한 요청

* 인터럽트 플래그         : 인터럽트 요청 신호 수용할지 무시할지 결정하는 비트

* 인터럽트 벡터            : 각 인터럽트 구분 위한 정보. 인터럽트 서비스 루틴의 시작 주소를 포함하는 인터럽트 서비스 루틴 식별 정보

* 인터럽트 서비스 루틴  : 인터럽트 처리 프로그램

 

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(참고)

https://youtu.be/lehWiAsIDrQ?feature=shared

https://youtu.be/fSCHizcezTs?feature=shared

https://youtu.be/3Yz7OnVUM28?feature=shared