CPU 작동 원리

ddo04 2024. 7. 31. 01:35

ALU

계산하는 장치
레지스터로부터 피연산자를 받아들임
제어장치로부터 제어신호를 받아들임
계산을 하기 위해서 피연산자와 수행할 연산이 필요
결과값을 레지스터에 저장 -> CPU가 레지스터에 접근하는 속도가 CPU가 메모리에 접근하는 속도보다 빠름
플래그 => 연산 결과에 대한 부과 정보, 결과값이 양수인지 음수인지를 결과값과 더불어 내보내짐 => 플래그 레지스터라고 하는 특수한 레지스터에 저장
CPU마다 다르지만 공통적으로 포함하고 있는 플래그의 종류

플래그 종류	의미
부호 플래그	연산한 결과의 부호를 나타냄	부호 플래그가 1일 경우 계산 결과는 음수, 0일 경우 계산 결과는 양수를 의미
제로 플래그	연산 결과가 0인지 여부를 나타냄	제로 플래그가 1일 경우 연산 결과는 0, 0일 경우 연산 결과는 0이 아님을 의미
캐리 플래그	연산 결과 올림수나 빌림수가 발생핬는 지를 나타냄	캐리 플래그가 1일 경우 올릶수나 빌림수가 발생했음을 의미. 0일 경우 발생하지 않았음을 의미
오버플로우 플래그	오버플로우가 발생했는지 나타냄	오버플로우 플래그가 1일 경우 오버플로우가 발생했음을 의미, 0일 경우 발생하지 않았음을 의미
인터랩트 플래그	인터랩트가 가능한지를 나타냄	인터랩트 플래그가 1일 경우 인터랩트가 가능함을 의미, 0일 경우 인터랩트가 불가능함을 의미
슈퍼바이저 플래그터	커널 모드로 실행 중인지, 사용자 모드로 실행 중인지 나타냄	슈퍼바이저 플래그가 1일 경우 커널 모드 실행 중임을 의미하고, 0일 경우 사용자 모드로 실행 중임을 의미

제어장치

제어 신호흘 발생시키고 병령어를 해석하는 장치
클럭 => 컴퓨터의 모든 부품을 일사분란하게 움직일 수 있게 하는 시간 단위
제어 장치가 해석할 명령어는 명령어 레지스터라고 하는 특수한 레지스터에 저장
제어장치는 해석할 명령어를 받아들이고 명령어를 해석하여 제어신호를 내보냄
플래그 레지스터 안에 있는 플래그 값도 받아들임
풀래그 레지스터 => CPU가 연상 결과로서 받아들이는 부가적인 정보
연상 결과가 0인지 아닌지 음수인지 아닌지 이런 부가적인 정보들도 명령어를 해석하는 과정에서 반드시 필요하기에 플래그 값을 받아들임
외부로부터 제어신호가 발생이 됐다면 CPU로 전달이 됐다면 어떤 신호인지를 제어장치가 받아들이게 됨
제어신호는 CPU 내부에 전달하는 제어신호가 있고 CPU 외부에 전달하는 제어신호가 있음
CPU 내부에 전달하는 제어신호는 레지스터와 ALU에 내보내는 제어신호가 있음
CPU 외부에 전달하는 제어신호는 메모리와 입출력장치에 내보내는 제어신호가 있음
레지스터에 내보내는 제어신호는 레지스터를 움직이게 하는 제어신호
ALU에 내보내는 제어신호는 수행할 연산을 지시하는 제어신호
메모리에 전달하는 제어신호는 메모리를 지시하기 위한 제어신호
입출력장치에 내보내는 제어신호는 입출력장치의 동작을 지시하는 제어신호

레지스터

CPU 내부의 작은 임시저장장치
프로그램 속 명령어 & 데이터는 실행 전후롤 레지스터 저장
CPU 내부에는 다양한 레지스터들이 있고, 각기 다른 역할을 가짐

프로그램 카운터 : 메모리에서 가져올 명령어의 주소 (메모리에서 읽어 들일 명령어의 주소)
명령어 레지스터 : 해석할 명령어 (방금 메모리에서 읽어 들인 명령어)
메모리 주소 레지스터 : 메모리의 주소
메모리 버퍼 레지스터 : 메모리와 주고 받을 값(데이터와 명령어)
플래그 레지스터 : 연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보
범용 레지스터 : 다양하고 일반적인 상황에서 자유롭게 사용
스택 포인터 : 스택의 꼭대기 가리킴 (주소 지정에 사용)
베이스 레지스터 : 기준 주소 지정 (주소 지정에 사용)

프로그램의 순차적인 실행 흐름이 끊기는 경우

- 특정 메모리 주소로 실행 흐름을 이동하는 명령어 실행 시 (JUMP. CONDITIONAL JUMP, CALL, RET)

- 인터럽트 발생 시

특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식
스택 주소 지정 방식 => 스택과 스택 포인트를 이용한 주소 지정 방식
스택 포인트 : 스택의 꼭대기를 가리키는 레지스터 (스택이 어디까지 차 있는지에 대한 표시)
변위 주소 지정 방식 => 오퍼랜드 필드의 값과 특정 레지스터 (프로그램 카운터, 베이스 레지스터) 의 갑을 더하여 유효 주소 얻기
상대 주소 지정 방식 => 오퍼랜드 필드의 값(변위)과 프로그램 카운트의 값을 더하여 유효 주소 얻기
베이스 레지스터 주소 지정 방식 => 오퍼랜드 필드의 값(변위)과 베이스 레지스터의 값을 더하여 유효 주소 얻기

명령어 사이클과 인터럽스

CPU는 메모리 안에 있는 프로그램을 어떤 정해진 흐름대로 처리
CPU가 메모리에 저장되어 있는 프로그램을 실행하는데 실행되는 과정이 일정한 패턴이 있음
CPU는 메모리 안에 있는 프로그램을 어떤 정해진 흐름대로 처리하여 정해진 흐름 => 명령어 사이클
CPU의 정해진 흐름을 끊는 신호를 인터럽트

명령어 사이클

프로그램 속 명령어들은 일정한 주기가 반복되며 실행
CPU가 메모리 안에 있는 어떤 프로그램을 실행하기 위해서 메모리에 저장된 값을 CPU 내부로 갖고 오는 작업 => 인출
인출하는 주기 => 인출 사이클
실행 사이클은 갖고 왔다면 실행해야 함
일반적으로 CPU는 인출 사이클과 실행 사이클이 반복되면서 실행
CPU로 명령어를 가지고 와도 바로 실행이 불가능한 경우도 있음

인터랩트

방해하다, 중단시키다
'CPU가 꼭 주목해야 할 때','CPU가 얼른 처리해야 할 다른 작업이 생겼을 때' 발생
인터럽트 종류

동기 인터럽트 (예외)

비동기 인터랩트 (하드웨어 인터랩트)

동기 인터럽트는 CPU가 예기치 못한 상황을 접했을 때 발생
인터럽트마다 고유한 인터럽트 서비스 루틴의 시작 주소를 가지고 있음

비동기 인터랩트 (하드웨어 인터럽트)

주로 입출력장치에 의해 발생
알림과 같은 역할
입출력 작업 도중에도 효율적으로 명령어를 처리하기 위해 하드웨어 인터럽트 사용
입출력장치는 CPU에 비해 느림
인터럽트가 없다면 CPU는 프린트 완료 여부를 확인하기 위해 주기적으로 확인해야 함
인터럽트가 있다면 입출력 작업 동안 CPU는 다른 일을 할 수 있음
인터럽트 처리 순서는 대동소이하다

입출력장치는 CPU에 인터럽트 요청 신호를 보냄
CPU는 실행 사이클이 끝나고 명령어를 인출하기 전 항상 인터럽트 여부를 확인
CPU는 인터럽트 요청을 확인하고 인터럽트 플래그를 통해 현재 인터럽트를 받아들일 수 있는지 여부 확인
인터럽트를 받아들일 수 있다면 CPU는 지금까지의 작업을 백업
CPU는 인터럽트 백터를 참조하여 인터럽트 서비스 루틴을 실행
인터럽트 서비스 루틴 실행이 끝나면 백업해 둔 작업을 복구하여 실행을 재개

인터럽트 요청 신호 : CPU의 작업을 방해하는 인터럽트에 대한 요청
인터럽트 플래그 : 인터러트 요청 신호를 받아들일지 무시할지를 결정하는 비트
인터럽트 백터 : 인터럽트 서비스 루틴의 시작 주소를 포함하는 인터럽트 서비스 루틴의 식별 정보
인터럽트 서비스 루틴 : 인터럽트를 처리하는 프로그램