ALU와 제어장치
ALU
: 연산한 결괏값과 플래그를 내보낸다.
- ALU는 레지스터를 통해 피연산자를 받아들이고, 제어 장치로부터 수행할 연산을 알려주는 제어 신호를 받아들인다.
- 연산을 수행한 결과는 특정 숫자나 문자가 될 수 있고, 메모리 주소가 될 수도 있다. 이 결괏값은 바로 메모리에 저장되지 않고 일시적으로
레지스터에 저장된다. - CPU가 메모리에 접근하는 속도는 레지스터에 접근하는 속도보다 훨씬 느리다. ALU가 연산할 때마다 결과를 메모리에 저장한다면 프로그램 실행 속도를 늦출 수 있다. 그래서 ALU의 결괏값을 메모리가 아닌 레지스터에 우선 저장한다.
- ALU는 결과값과 더불어
플래그를 내보낸다.플래그
: 연산 결과에 대한 추가적인 상태 정보
이 플래그들은 플래그 레지스터라는 레지스터에 저장된다. 이 레지스터를 읽으면 연산 결과에 대한 추가적인 정보를 얻을 수 있다.
ex) 방금 계산한 결과는 음수이다. , 결과 값이 너무 크다.
연산 결과가 연산 결과를 담을 레지스터보다 큰 상황을 오버플로우 라고 한다.
제어장치
: 제어 신호를 내보내고, 명령어를 해석하는 부품
제어 신호: 컴퓨터 부품들을 관리하고 작동시키기 위한 일종의 전기 신호
제어장치가 받아들이는 정보
- 클럭 신호를 받아들인다.
클럭
: 컴퓨터의 모든 부품을 일사분란하게 움직일 수 있게 하는 시간 단위 - '해석해야 할 명령어'를 받아들인다.
: CPU가 해석해야 할 명령어는 명령어 레지스터에 저장된다. - 플래그 레지스터 속 플래그 값을 받아들인다.
- 시스템 버그, 그 중에서 제어 버스로 정달 된 제어 신호를 받아들인다.
ALU와 제어장치 핵심
- ALU는 레지스터로부터 피연산자를 받아들이고, 제어장치로부터 제어 신호를 받아들인다.
- ALU는 연산 결과와 플래그를 내보낸다.
- 제어장치는 클럭, 현재 수행할 명령어, 플래그, 제어 신호를 받아들인다.
- 제어장치는 CPU 내부와 외부로 제어 신호를 내보낸다.
레지스터
: CPU내부에 있는 임시 저장 장치이다.
레지스터만 잘 관찰해도 프로그램의 자세한 실행 과정을 알 수 있다.
반드시 알아야 할 레지스터
프로그램 카운터
: 메모리에서 가져올 명령어의 주소, 즉 메모리에서 읽어 들일 명령어의 주소를 저장한다. '명령어 포인터'라고 부르는 CPU도 있다.
명령어 레지스터
: 해석할 명령어, 즉 방금 메모리에서 읽어 들인 명령어를 저장하는 레지스터
메모리 주소 레지스터
: 메모리의 주소를 저장하는 레지스터 -> 주소 버스로 보낼 주소값만 저장
메모리 버퍼 레지스터
: 메모리와 주고받을 값(데이터와 명령어)을 저장하는 레지스터, '메모리 데이터 레지스터'라고도 불린다. -> 데이터 버스로 주고받을 값만 저장
범용 레지스터
: 다양하고 일반적인 상황에서 자유롭게 사용할 수 있는 레지스터, 데이터와 주소 모두 저장 가능하다.
플래그 레지스터
: 연산 겨롹 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보를 저장하는 레지스터
베이스 레지스터
: 주소 지정에 사용될 수 있는 특별한 레지스터
특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식: 스택 주소 지정 방식
: 스택과 스택 포인터를 이용한 주소 지정 방식
스택 포인터란 ?
: 스택의 꼭대기를 가리키는 레지스터, 스택에 마지막으로 저장한 값의 위치를 저장하는 레지스터
스택의 어디까지 데이터가 채워져 있는지에 대한 표시
특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식: 변위 주소 지정 방식
: 오퍼랜드 필드의 값(변위)과 특정 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻어내는 주소 지정 방식
변위 주소 지정 방식을 사용하는 명령어는 연산 코드 필드, 레지스터 필드, 오퍼랜드 필드가 있다.
오퍼랜드 필드의 주소와 어떤 레지스터를 더하는지에 따라 상대 주소 지정 방식, 베이스 레지스터 주소 지정 방식 등으로 나뉜다.
상대 주소 지정 방식
: 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
: 오퍼랜드와 베이스 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식
레지스터 핵심
- 프로그램 카운터는 메모리에서 가져올 명령어의 주소를, 명령어 레지스터는 해석할 명령어를 저장한다.
- 메모리 주소 레지스터는 메모리의 주소, 메모리 버퍼 레지스터는 메모리와 주고받을 데이터를 저장한다.
- 범용 레지스터는 데이터와 주소를 모두 저장하고, 플래그 레지스터는 연산 결과 혹은 CPU상태에 대한 부가 정보를 저장한다.
- 스택 포인터는 스택 최상단의 위치를 저장한다.
- 베이스 레지스터에 저장된 주소는 기준 주소로서의 역할을 한다.
명령어 사이클과 인터럽트
CPU가 하나의 명령어를 처리하는 과정에는 어떤 정해진 흐름이 있고, CPU는 그 흐름을 반복하며 명령어들을 처리해 나간다.
이렇게 명령어를 처리하는 정형화된 흐름을 명령어 사이클 이라고 한다.
CPU는 정해진 흐름에 따라 명령어를 처리해 나가지만, 간혹 이 흐름이 끊어지는 상황이 발생한다. 이를 인터럽트라고 한다.
명령어 사이클
- 인출 사이클
: 메모리에 있는 명령어를 CPU로 가지고 오는 단계 - 실행 사이클
: CPU로 가져온 명령어를 실행하는 단계
제어장치가 명령어 레지스터에 담긴 값을 해석하고, 제어 신호르 발생시키는 단계 - 간접 사이클
: 명령어를 실행하기 위해 메모리에 한 번 더 접근하는 단계
인터럽트
: CPU의 작업을 방해하는 신호
- 동기 인터럽트: CPU에 의해 발생하는 인터럽트
CPU가 명령어들을 수행하다가 예상치 못한 상황에 마주쳤을 때, 가령 CPU가 실행하는 프로그래밍상의 오류와 같은 예외적인 상황에 마주쳤을 때 발생하는 인터럽트,예외라고도 불림. - 비동기 인터럽트
: 입출력장치에 의해 발생하는 인터럽트 - 입출력장치에 의한 비동기 인터럽트는 세탁기 완료 알림, 전자레인지 조리 완료 알림과 같은 알림 역할을 한다.,
하드웨어 인터럽트라고도 불림
하드웨어 인터럽트 처리 순서
- 입출력장치는 CPU에 인터럽트 요청 신호를 보냄
- CPU는 실행 사이클이 끝나고 명령어를 인출하기 전 항상 인터럽트 여부를 확인한다.
- CPU는 인터럽트 요청을 확인하고 인터럽트 플래그를 통해 현재 인터럽트를 받아들일 수 있는지 여부를 확인한다.
- 인터럽트를 받아들일 수 있다면 CPU는 지금까지의 작업을 백업한다.
- CPU는 인터럽트 벡터를 참조하여 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.
- 인터럽트 서비스 루틴 실행이 끝나면 백업해둔 작업을 복구하여 실행을 재개한다.
인터럽트는 CPU의 정상적인 실행 흐름을 끊는 것이기에 다른 누군가가 인터럽트하기 전에는 CPU에게 끼어들어도 되는지 물어본다. 이를인터럽트 요청 신호라고 한다.인터럽트 서비스 루틴
: 인터럽트를 처리하기 위한 프로그램
인터럽트 핸들러라고도 부름 - 명령어 사이클은 하나의 명령어가 처리되는 주기로, 인출, 실행, 간접, 인터럽트 사이클로 구성되어 있다.
- 인터럽트는 CPU의 정상적인 작업을 방해하는 신호이다.
- 인터럽트의 종류에는 예외와 하드웨어 인터럽트가 있다.
- 인터럽트 서비스 루틴은 인터럽트를 처리하기 위한 동작들로 이루어진 프로그램이다.
