4장 CPU의 작동 원리

ALU

CPU 내부에서 계산을 담당하는 부분이다.

받는 정보

피연산자, 제어신호
레지스터를 통해 피연산자를 받는다.
제어 장치로부터 수행할 연산을 알려주는 제어 신호를 받는다.

내보내는 정보

연산 수행 결과값, 플래그
연산을 수행한 결과값을 일시적으로 레지스터에 내보낸다.
이유 : 연산할 때 마다 결과를 메모리에 저장하면 메모리에 자주 접근하면 느리기에 레지스터에 보내서 임시 저장한다.

플래그

연산에 대한 추가적인 결과 정보를 내보내야 하는 경우가 있는데 이러한 연산 결과에 대한 추가적인 상태 정보를 플래그라고 한다.
플래그 종류는 다양하게 있는데 이러한 플래그들은 플래그 레지스터에 저장된다.

제어장치

제어장치는 제어 신호를 내보내고 명령어를 해석하는 부품
컴퓨터 부품들을 관리하고 작동시키기 위한 일종의 전기신호

제어 장치가 받아들이는 정보

1. 클럭 신호
   • 모든 컴퓨터 부품은 클럭이라는 박자에 맞춰 작동한다.
2. 해석해야 할 명령어
   • 명령어 레지스터에 있는 CPU가 해석해야 할 명령어를 받는다.
3. 플래그 레지스터 속 플래그 값
4. 시스템 버스 중 제어 버스로 전달된 제어 신호
   • 입출력장치를 비롯한 CPU의 외부로부터 전달된 제어 신호를 받기도 한다.

제어 장치가 내보내는 정보

CPU 외부에 전달하는 제어 신호

1. 메모리에 전달하는 제어 신호
2. 입출력장치에 전달하는 제어 신호

CPU 내부에 전달하는 제어 신호

1. ALU에 전달하는 제어 신호
   • 수행할 연산을 지시하기 위해
2. 레지스터에 전달하는 제어 신호
   • 레지스터 간 데이터를 이동시키거나 레지스터에 저장된 명령어를 해석하기 위해

레지스터

프로그램 카운터

메모리에서 읽어 들일 명령어의 주소 저장

명령어 레지스터

방금 메모리에서 읽어 들인 명령어를 저장하는 레지스터
제어 장치는 명령어 레지스터 속 명령어를 받고 이를 해석 후 제어신호를 내보낸다.

메모리 주소 레지스터

메모리의 주소를 저장하는 레지스터
CPU가 읽어 들이고자 하는 주소 값을 주소 버스로 보낼 때 이 레지스터를 거친다.

메모리 버퍼 레지스터

메모리와 주고받을 값을 저장하는 레지스터
메모리에 쓰고 싶은 값이나 메모리로부터 전달받은 값은 메모리 버퍼 레지스터를 거친다.

1. 프로그램을 처음부터 실행하기 위해 프로그램 카운터에 1000이 저장된다.
2. 프로그램 카운터의 1000을 메모리 주소 레지스터에 보내 저장한다.
3. 제어 신호와 메모리 주소 레지스터 값이 각각 제어 버스와 주소 버스를 통해 메모리로 보내진다.
4. 메모리 1000번지에 저장된 값은 데이터 버스를 통해 메모리 버퍼 레지스터로 전달되고 프로그램 카운터는 증가되어 다음 명령어를 읽어 들일 준비를 한다.
5. 메모리 버퍼 레지스터에 저장된 값은 명령어 레지스터로 이동한다.
6. 제어장치는 명령어 레지스터의 명령어를 해석하고 제어 신호를 발생시킨다.

범용 레지스터

일반적인 상황에서 자유롭게 사용할 수 있는 레지스터
데이터와 주소를 모두 저장할 수 있다.

플래그 레지스터

연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보를 저장하는 레지스터

특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식

• 스택 주소 지정 방식
  스택과 스택 포인터를 이용한 주소 지정 방식
  ex) 스택 포인터

• 변위 주소 지정 방식
  오퍼랜드 필드의 값과 특정 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻어내는 주소 방식

  1. 상대 주소 지정 방식
     오퍼랜드와 프로그램 카운터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식

  2. 베이스 레지스터 주소 지정 방식
     오퍼랜드와 베이스 레지스터의 값을 더하여 유효주소를 얻는 방식

명령어 사이클

프로그램 속 각각의 명령어들은 명령어 사이클이 반복되며 실행된다.

인출 사이클

명령어를 메모리에서 CPU로 가져온다.

실행 사이클

CPU로 가져온 명령어를 실행한다.

간접 사이클

메모리 접근이 더 필요한 경우 사용한다.

인터럽트

CPU의 작업을 방해하는 신호

1. 동기 인터럽트(예외)
   CPU에 의해 발생하는 인터럽트
   프로그래밍상의 오류와 같은 예외 상황에 발생하는 인터럽트

2. 비동기 인터럽트(하드웨어 인터럽트)
   입출력장치에 의해 발생하는 인터럽트
   CPU가 프린터에 입출력 작업을 부탁하고 작업이 끝나면 프린터가 CPU에 완료 알림(인터럽트)을 보낸다.

   • 비동기 인터럽트 처리 순서
   1. 입출력장치는 CPU에 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 있는지 확인한다.
   4. 인터럽트를 받아들일 수 있다면 CPU는 지금까지 작업을 백업한다.
   5. CPU는 인터럽트 백터를 참조하여 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.
   6. 인터럽트 서비스 루틴 실행이 끝나면 4에서 백업해 둔 작업을 복구하여 실행을 재개한다.

참고) 혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제