CPU의 작동 원리

CPU 내부에는 계산을 담당하는 ALU, 명령어를 읽고 해석하는 제어장치, 작은 임시 저장 장치 레지스터라는 구성요소가 있다.

 

ALU

ALU는 레지스터를 통해 피연사자를 받아들이고 제어장치로부터 수행할 연산을 알려주는 제어 신호를 받아들여 다양한 연산을 수행한다.

 

플래그

연산 결과에 대한 추가적인 상태 정보, 이러한 플래그들은 플래그 레지스터라는 레지스터에 저장되어 있다.

제어장치

제어신호를 내보내고, 명령어를 해석하는 부품으로 제어 신호로 컴퓨터 부품들을 관리하고 작동시킨다.

제어장치의 역할

첫째. 제어장치는 클럭신호를 받아들인다.

- 클럭: 컴퓨터의 모든 부품을 일사불란하게 움직일 수 있게하는 시간 단위이다. 컴퓨터 부품들은 클럭이라는 박자에 맞춰 작동할 뿐 한 박자 마다 작동하는 건 아니다. 하나의 명령어가 여러 클럭에 걸쳐 실행될 수 있다. 

 

둘째. 제어장치는 '해석해야 할 명령어'를 받아들인다.

- CPU가 해석해야 할 명령어는 명령어 레지스터라는 특별한 레지스터에 저장되고 해석한 뒤 제어 신호를 발생시켜 컴퓨터 부품들에 수행해야 할 내용을 알려준다.

 

셋째. 제어장치는 플래그 레지스터 속 플래그 값을 받아들인다.

 

넷째.제어장치는 시스템 버스, 그중에세 제어 버스로 전달된 제어 신호를 받아들인다.

 

레지스터

프로그램 속 명령어와 데이터는  반드시 레지스터에 저장된다. 레지스터에 저장된 값을 관찰하면 프로그램의 실행 흐름을 파악할 수 있다.

 

레지스터의 종류

레지스터들은 CPU마다 종류가 다양하다. 그렇지만 공통으로 포함 하고 있는 여덟 개의 레지스터를 알아보자.

 

1. 프로그램 카운터: 메모리에서 가져올 명령어의 주소, 메모리에서 읽어 들일 명령어의 주소를 저장한다.

2. 명령어 레지스터: 해석할 명령어, 메모리에 읽어들인 명령어를 저장하는 레지스터

3. 메모리 주소 레지스터: 메모리의 주소를 저장하는 레지스터, 주소 버스를거친다.

4. 메모리 버퍼 레지스터: 메모리와 주고받을 값을 저장하는 레지스터, 데이터 버스를 거친다.

5. 범용 레지스터: 다양한 일반적인 상황에서 자유롭게 사용할 수 있는 레지스터, 데이터와 주소를 모두 저장할 수 있다.

6. 플래그 레지스터: ALU 연산 결과에 따른 플래그를 저장하고 연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보를 저장한는 레지스터

 

특정 레시터를 이용한 주소 지정 방식

(1)  스택 주소 지정 방식

스택과 스택 포인터를 이용한 주소 지정 방식, 스택은 메모리 안에 있고 이를 스택 영역이라 한다.

(스택포인터: 스택의 꼭대기를 가리키는 레지스터, 스택의 마지막으로 저장된 값의 위치를 저장하는 레지스터)

 

(2) 변위 주소 지정 방식

오퍼랜드 필드의 값과 특정 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻어내는 방식

 

변위 주소 지정 방식은 오퍼래든 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

프로그램 카운터에는 읽어 들일 명령어의 주소가 저장되어 있다.

베이스 레지스터

오퍼랜드와 베이스 레지스터의 값을 더하여 유효주소를 얻는 방식

베이스 레지스터는 '기준 주소', 오퍼랜드는 '기준 주소로부터 떨어진 거리'로서의 역할을 한다.

기준 주소로부터 얼마나 떨어져 있는 주소에 접근할 것인지를 연산하여 유효 주소를 얻어내는 방식이다.

---

CPU가 하나의 명령어를 처리하는 과정에는 어떤 정해진 흐름이 있고 그 흐름을 반복하여 명령들을 처리해 나간다. 명령어를 처리하는 흐름을 명령어 사이클이라하고 간혹 이 흐름이 끊어지는 상황이 발행하는데 이를 인터럽트라 한다.

 

명령어 사이클

CPU는 명령어들을 하나씩 실행하는데 각각의 명령어들은 일정한 주기 반복되며 실행되는 주기

- 인출 사이클: 메모리에 있는 명령어를 CPU로 가지고 오는 단계

- 실행 사이클: CPU로 가져온 명령어를 실행하는 단계, 레지스터에 담긴 값을 해석하고 제어신호를 발생시키는 단계 

- 간접 사이클: 명령어를 실행하기 위해서 메모리 접근을 한 번 더 해야하는 단계 

 

인터럽트

CPU의 작업을 방해하는 신호 (작업을 잠시 중단해야 할 상황에서 발생)

동기 인터럽트: CPU에 의해 발생하는 인터럽트로 예외라고도 부른다.

비동기 인터럽트: 주로 입출력장치에 의해 발생하는 인터럽트 ex) 키보드 ,마우스

 

하드웨어 인터럽트

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

 

처리순서

 

인터럽트 벡터: 인터럽트 서비스 루틴을 식별하기 위한 정보

- 인터럽트 서비스 루틴을 실행하고 본래 수행하던 작업을 다시 되돌아오는데 인터럽트 서비스 루틴을 실행하려면 인터럽트 서비스 루틴을 시작 주로를 알아야 하는데, 이를 인터럽트 벡터를 통해 알 수 있다.

 

- 인터럽트 서비스 루틴을 모두 실행하면 스택에 저장해 둔 값을 다시 불러온 뒤 이전까지 수행하던 작업을 재개한다.

명령어 사이클