[혼공컴운] CPU의 작동 원리

✅ ALU와 제어장치

ALU와 제어장치

 

📦 ALU

1+2라는 연산을 수행하기 위해서는 피연산자(1, 2)와 수행할 연산(+)이 필요하기에 ALU는 레지스터를 통해 피연산자를 받고 제어장치로부터 제어 신호를 받아 산술, 연산, 논리 연산 등을 수행하는 장치이다.

• 결과값은 특정 숫자, 문자, 메모리 주소가 될 수 있다.
• 이 결과값은 메모리에 저장되지 않고 레지스터에 저장된다.(CPU는 메모리에 접근하는 시간이 레지스터보다 느리기에 추가적으로 다른 레지스터에 사용하거나 메모리에 담는 것인 이후에 실행)
• 부가적인 정보인 플래그를 추가적으로 내보낸다.
• 다양한 계산을 위한 회로를 가지고 있다.(덧셈: 가산기, 뺄셈: 보수기, 비트의 이동: 시프터, 오버플로우 검출기) 

ALU

 

📌 플래그

CPU에 저장되는 이진법

위 보기와 같이 CPU에 숫자가 이진법으로 저장될 때  동일한 모습으로 저장이되는데 이러한 수가 음수인지 양수인지 구분하기 위해서 필요한 부가적인 정보가 플래그이다.

 

이러한 플래그는 음수, 양수 구분뿐만아니라 연산 결과가 0인지, 오버플로우가 발생했는지 등 여러 부가정보를 담고 있으며 대표적인 플래그와 구조는 아래 보기를 참고하자

 

대표적인 플래그

플래그 구조

 

 

📦 제어장치

컴퓨터 부품들을 관리하고 작동시키기 위한 전기신호인 제어 신호를 내보내고 명령어를 해석하는 부품으로, 다양한 정보(클럭 신호, 해석할 명령어, 플래그, 제어 신호)를 통해 명령어를 해석하고 제어 신호를 내보낸다.

• CPU의 내부와 외부로 제어신호를 내보내며 내부에는 레지스터와 ALU로, 외부에는 메모리와 입출력장치로 제어 신호를 전달하여 각각 동작하도록 한다.

제어장치

 

📌 클럭

클럭

클럭이란 컴퓨터의 부품들을 일사분란하게 움직일 수 있게 하는 시간 단위로 이러한 클럭 신호의 주기에 맞춰 레지스터 간 데이터 이동, ALU연산 등 동작이 이루어진다. (똑 딱 똑 딱~)
다만 클럭 신호에 맞춰 작동한다는 것이 컴퓨터의 모든 부품이 한 클럭마다 작동한다는 것이 아니라 클럭이라는 박자에 맞춰 작동할 뿐이기에 하나의 명령어가 여러 클럭에 걸쳐 실행될 수 있다.

 

 

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✅ 레지스터

레지스터

 

📦 레지스터 종류

1. 프로그램 카운터: 명령어 포인터라고도 불리며 메모리에서 읽어 들일 명령어의 주소를 저장한다.
2. 명령어 레지스터: 방금 메모리에서 읽어 들인 명령어를 저장하고, 제어장치는 이 레지스터 속 명령어를 받아들여 해석한 뒤 제어 신호로 내보낸다.
3. 메모리 주소 레지스터: CPU가 읽어 들이고자 하는 주소 값을 주소 버스로 보낼 때 메모리 주소 레지스터를 거치며, 이 메모리 주소를 저장한다.
4. 메모리 버퍼 레지스터: 메모리와 주고 받을 값을 저장하며, 데이터 버스로 주고 받을 값은 메모리 버퍼 레지스터를 거친다.
5. 플래그 레지스터: 연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보를 저장한다.
6. 범용 레지스터: 다양하고 일번적인 상황에서 자유롭게 사용할 수 있다. 주소를 비롯해 명령어와 데이터 모두 저장할 수 있고 여러개의 범용 레지스터가 CPU 내부에 위치해 있다.
7. 스택 포인터: 스택 주소 지정 방식에 사용되는 레지스터로 스택의 꼭대기를 가리키는 레지스터로 스택이 어디까지 차 있는지에 대한 표시를 해준다.
8. 베이스 레지스터: 변위 주소 지정 방식에 사용되는 레지스터로 

 

📦 프로그램 실행을 통해 보는 레지스터

 

• CPU로 실행할 프로그램이 위와 같이 메모리에 저장이 되어 있다고 가정하였을 때, 프로그램을 처음 실행하기 위해 프로그램 카운터에 1000이 저장이 된다. 이는 메모리에서 가져올 명령어가 1000번지에 있다는 것을 의미한다.

• 1000번지에 있는 데이터를 읽어들이기 위해서는 주소 버스로 1000번지를 읽겠다고 내보내야하는데 이때 메모리 주소 레지스터에 1000이 저장되어 CPU가 읽고자하는 메모리의 주소가 저장된다.
• 이후 제어장치에서 "읽겠다"는 제어 신호가 제어 버스를 통해 읽고자 하는 메모리 주소가 주소 버스를 통해서 메모리로 전달된다.

• 전달된 신호를 통해서 메모리 1000번지에 저장된 값은 데이터 버스를 통해서 메모리 버퍼 레지스터로 전달이 되고, 프로그램 카운터가 증가하여 다음 명령어를 읽어들일 준비를 한다.
• 메모리 버퍼 레지스터에 저장된 값은 명령어 레지스터로 이동하고, 제어장치는 명령어 레지스터에서 명령어를 받아 제어 신호를 발생시킨다.

프로그램 카운터 증가로 인한 순차적 실행

• 프로그램 카운터의 증가로 인해 CPU가 메모리 속 프로그램을 순차적으로 읽어들이고 실행할 수 있다.

 

📌 순차적인 실행 흐름이 끊기는 경우

일반적인 프로그램 카운터는 꾸준히 증가하여 순차적으로 프로그램을 실행하는데 종종 다음 번지 주소가 아닌 전혀 다른 값으로 업데이트 되는 경우가 있다. 이러한 경우는 다음과 같은 상황에서 일어난다

1. 명령어 중 JUMP, CONDITIONAL JUMP, CALL, RET와 같은 특정 메모리 주소로 실행 흐름을 이동시키는 경우
2. 인터럽트 발생시
3. 기타 등등...

 

📦 특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식

스택 주소 지정 방식

가장 마지막에 저장한 값부터 꺼내는 스택의 특성을 통해 마지막으로 저장한 값의 위치를 스택 포인터에 저장한다. 그렇기에 스택 포인터가 스택의 꼭대기를 가리킨다고 볼 수 있다.

• 이러한 스택은 메모리 안에 스택 영역이라는 정해진 공간에 위치하며 암묵적으로 스택처럼 사용하기로 약속된 영역이다.

스택 주소 지정 방식

 

변위 주소 지정 방식

오퍼랜드 필드의 값과 특정 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 만들어내는 주소 지정 방식으로 오퍼랜드 필드 주소와 어떤 레지스터를 더하는지에 따라 상대 주소 지정 방식과 베이스 레지스터 주소 지정 방식 등으로 나뉜다.

변위 주소 지정 방식

 

• 상대 주소 지정 방식

오퍼랜드와 프로그램 카운터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식

상대 주소 지정 방식

 

 

• 베이스 레지스터 주소 지정 방식

오퍼랜드와 베이스 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식

• 기준 주소가 베이스 레지스터에 담긴다는 것이 중요하다.

베이스 레지스터 주소 지정 방식

 

 

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✅ 명령어 사이클과 인터럽트

명령어 사이클과 인터럽트

📦 명령어 사이클

명령어를 처리하는 과정에서 나타나는 흐름으로 CPU는 이러한 흐름을 반복하며 명령어를 처리해 나간다. 이렇게 명령어를 처리하는 정형화된 과정을 명령어 사이클이라고 한다. 

• 이러한 흐름이 끊어지는 상황이 간혹 발생하는데 이를 인터럽트라고 한다.

 

명령어 사이클 과정

인출 사이클과 실행 사이클

• 인출 사이클은 메모리에 저장된 명령어를 실행할 때 첫 번째 과정으로 메모리에 있는 명령어를 CPU로 가지고 오는 단계이다.
• 이후 CPU로 가져온 명령어를 실행하는 단계를 실행 사이클이라고 한다. (제어장치가 명령어 레지스터에 담긴 값을 해석하고, 제어신호를 발생시킨다.)

 

• 이러한 인출과 실행 사이클을 반복하면서 프로그램을 이루는 수많은 명령어가 실행된다.
• 예외적으로 명령어를 인출하여 CPU로 가져왔다고 해도 실행 사이클을 실행할 수 없는 경우도 있는데 예시로 간접 주소 지정 방식의 경우 명령어를 실행하기 위해서 메모리에 추가적으로 접근해서 필요한 데이터를 가져와야하고 이렇게 추가적으로 메모리에 접근하는 단계를 간접 사이클이라고 한다.

 

📦 인터럽트

방해하다, 중단시키다의 의미를 가지고 있으며, CPU가 수행 중인 작업을 중단시킬 수 있게 방해하는 신호를 인터럽트라고 한다.
CPU가 반드시 주목하거나 빠르게 처리해야하는 작업이 생겼을 때 발생하며 통일된 기준은 없어 인텔의 공식 문서를 참조한 기준이다.

• 동기, 비동기 인터럽트로 크게 나뉜다.
• 동기 인터럽트(예외): CPU에 의해 발생하는 인터럽트로 명령어를 수행하던 도중 프로그래밍상 오류와 같은 예외적인 상황에 발생한다.
• 비동기 인터럽트(하드웨어 인터럽트): 주로 입출력장치에 의해 발생하며 CPU의 처리 속도가 입출력장치의 처리 속도보다 월등히 빠르기에 입출력장치에서 완료 여부를 알람과 같이 알려준다. 이는 CPU가 입출력장치의 결과를 지속적으로 확인하지 않아도되며 CPU 사이클 낭비를 막고 생산성을 올려준다. 

 

하드웨어 인터럽트 처리순서

1. 입출력장치는 CPU에 인터럽트 요청 신호를 보낸다.(정상적인 실행 흐름을 끊는 것이기에 CPU에게 물어보는 작업)
2. CPU는 실행 사이클이 끝난 뒤 명령어 인출 전에 인터럽트 여부를 항상 확인한다.
3. 인터럽트 요청을 확인하고 인터럽트 플래그(플래그 레지스터)를 통해 현재 인터럽트를 받아들일 수 있는지 확인한다.(CPU가 중요한 작업을 수행 중일 때에는 플래그가 불가능으로 설정되어 있다.)
4. 받아들일 수 있다면 CPU는 지금까지의 작업을 백업한다.
5. CPU는 인터럽트 벡터(인터럽트 서비스 루틴을 식별하기 위한 정보)를 참조하여 인터럽트 서비스 루틴(인터럽트를 처리하기 위한 프로그램)을 실행한다.(CPU는 수많은 인터럽트를 인터럽트 벡터라는 정보를 통해 구별하고 인터럽트 요청에 대해 해당 인터럽트를 어떻게 처리하고 작동해야하는지에 대한 정보로 이루어진 프로그램인 인터럽트 서비스 루틴을 통해서 실행한다)
6. 루틴 실행이 끝나면 백업해 둔 작업을 복구하여 실행을 재개한다.

📌 막을 수 없는 인터럽트

정전과 하드웨어 고장으로 인한 인터럽트가 대표적으로 해당이되며, 인터럽트 플래그가 불가능으로 설정되어 있을지라도 인터럽트 요청을 무시할 수 없다. 즉 가장 먼저 처리해야하는 인터럽트이다.

하드웨어 인터럽트의 처리 순서