ALU는 CPU 안에 있는 산술 논리 연산자이다. ALU는 레지스터로부터 피연산자, 제어장치로 부터 제어신호를 받아들이고 레지스터에 결괏값이나 플래그를 내보낸다. 즉 계산을 하기 위해서는 피연산자와 수행할 연산이 필요하다. 그리고 플래그는 플래그 레지스터라는 곳에 따로 저장이 된다. 레지스터에 저장하는건 메모리에 접근하는 거보다 속도가 빠르기 때문이다.
플래그의 종류는 다음과 같다
-부호 플래그 : 연산할 결과의 부호를 나타낸다.
-제로 플래그 : 연산 결과가 0인지 여부를 나타낸다.
-캐리 플래그 : 연산 결과 올림수나 빌림수가 발생했는지를 나타낸다.
-오버플로우 플래그 : 오버플로우가 발생했는지를 나타낸다.
-인터럽트 플래그 : 인터럽트가 가능한지를 나타낸다.
-슈퍼바이저 플래그 : 커널 모드로 실행 중인지, 사용자 모드로 실행 중인지를 나타낸다.
제어장치의 동작 원리
제어장치는 기본적으로 명령어 레지스터에서 해석할 명령어를 읽어오며 클럭(컴퓨텨의 모든 부품을 일사불란하게 움직일 수 있게 하는 시간 단위)와 플래그 레지스터에서 플래그를 읽어온다. 그리고 제어버스에서 제어신호 역시 받아들인다. 연산이 끝나면 필요한 제어를 제어신호를 통해 CPU 내부에 전달하거나(ALU나 레지스터) CPU 외부(메모리, 입출력 장치)에 전달한다.
레지스터
레지스터는 CPU 내부에 작은 임시저장장치이다. 프로그램 속 명령어와 데이터는 실행 전후로 레지스터에 저장된다.
반드시 알아야 할 레지스터는 다음과 같다.
-프로그램 카운터 : 메모리에서 가져올 명령어의 주소(메모리에서 읽어 들일 명령어의 주소. 따라서 명령어 포인터라고 부르는 CPU도 있음) - 기본적으로 프로그램 카운터는 순차적으로 증가하지만 순차적 실행 흐름이 끊기는 경우 역시 존재한다. (특정 메모리 주소로 실행 흐름을 이동하는 명령어 실행 시, 인터럽트 발생 시, 기타 등등...)
-명령어 레지스터 : 해석할 명령어. 방금 메모리에서 읽어들인 명령어이며 이 명령어를 제어장치가 해석하게 된다.
-메모리 주소 레지스터 : 메모리의 주소. CPU가 읽어 들이고자 하는 주소를 주소 버스로 보낼 때 거치는 레지스터
-메모리 버퍼 레지스터 : 메모리와 주고 받을 값(데이터와 명령어). CPU가 정보를 데이터 버스로 주고 받을 때 거치는 레지스터
-플래그 레지스터 : 연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보
-범용 레지스터 : 다양하고 일반적인 상황에서 자유롭게 사용
-스택 포인터와 레지스터 : 주소 지정에 사용되는데 다음과 같다.
-스택 포인터, 베이스 레지스터
스택 포인터와 레지스터는 주소 지정에 사용되는데 다음과 같다.
스택 주소 지정 방식 : 스택과 스택 포인터를 이용한 주소 지정 방식이다. 스택은 메모리 안에 스택 영역이 따로 있으며 스택 포인터는 이 스택의 꼭대기를 가리키는 레지스터이다. 즉 스택이 어디까지 차 있는지에 대한 표시라고 할 수 있다.
변위 주소 저장 방식 : 오퍼랜드 필드의 값(변위)과 특정 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는데 이 방식에서 사용되는 특정 레지스터는 프로그램 카운터, 베이스 레지스터 두 가지가 있다.
-상대 주소 지정 방식 : 프로그램 카운터를 사용하는 방식으로 오퍼랜드 필드의 값(변위)과 프로그램 카운터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는다.
-베이스 레지스터 주소 지정 방식 : 오퍼랜드 필드의 값(변위)과 베이스 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는다. 즉 베이스 레지스터에는 기준 주소가 있고 오퍼랜드 필드의 값만큼 떨어진 코드를 실행한다는 것이다.
명령어 사이클과 인터럽트
-명령어 사이클
프로그램 속 명령어들은 일정한 주기가 반복되며 실행이 되는데 이 주기를 명령어 사이클이라고 한다.
인출 사이클은 CPU로 명령어를 가져오고 실행 사이클은 가져온 명령어를 실행하는 식으로
인출 - 실행 - 인출 - 실행 -...
식으로 이루어진다. 이 때 어떤 명령어는 인출과 실행 사이클만으로 실행되지만 어떤 명령어는 메모리 접근이 더 필요한 경우 간접 사이클을 거쳐 실행된다.
-인터럽트
인터럽트는 CPU가 꼭 주목해야 할 때나 CPU가 얼른 처리해야 할 다른 작업이 생겼을 때 발생하게 된다. 크게 동기 인터럽트와 비동기 인터럽트로 나뉜다.
동기 인터럽트 : CPU가 예기치 못한 상황을 접했을 때 발생하며 잠깐 실행을 중단하고 예외적인 상황을 처리하게 된다. 폴트, 트랩, 중단, 소프트웨어 인터럽트가 있다. 예외라고도 한다.
비동기 인터럽트 : 주로 입출력 장치에 의해 방생하며 알림과 같은 역할을 한다. 하드웨어 인터럽트라고도 한다.
입출력 작업 도중에도 효율적으로 명령어를 처리하기 위해 비동기 인터럽트, 즉 하드웨어 인터럽트를 사용하게 되는데 입출력 장치는 CPU에 비해 느리기 때문에 인터럽트가 없다면 CPU는 프린트 완료 여부를 확인하기 위해 주기적으로 확인해야 하므로 매우 비효율적이다. 인터럽트가 있다면 입출력 작업 동안 CPU는 다른 일을 할 수 있다. (입출력 작업이 끝나면 그 때 인터럽트로 CPU에게 알림을 보내는 것)
-하드웨어 인터럽트의 처리 순서
1. 입출력장치는 CPU에 인터럽트 요청 신호를 보냄
2. CPU는 실행 사이클이 끝나고 명령어를 인출하기 전 항상 인터럽트 여부를 확인
3. CPU는 인터럽트 요청을 확인하고 인터럽트 플래그를 통해 현재 인터럽트를 받아들일 수 있는지 여부를 확인
4. 인터럽트를 받아들일 수 있다면 CPU는 지금까지의 작업을 백업
5. CPU는 인터럽트 벡터를 참조하여 인터럽트 서비스 루틴을 실행
6. 인터럽트 서비스 루틴 실행이 끝나면 4번 과정에서 백업해 둔 작업을 복구하여 실행을 재개
-인터럽트 요청 신호 : 입출력장치가 CPU에게 인터럽트를 보내도 되는지 요청하는 신호. CPU가 인터럽트 요청을 받아들이려면 플래그 레지스터의 인터럽트 플래그가 인터럽트로 받을 수 있는 상태여야 한다. 물론 모든 인터럽트를 인터럽트 플래그로 막을 수는 없다.
-인터럽트 서비스 루틴 : 인터럽트가 발생 했을 때 해당 인터럽트를 어떻게 처리해야 하는지에 대한 프로그램.(예를 들어 키보드를 위한 처리 방법, 마우스를 위한 처리 방법 등) 인터럽트 서비스 루틴도 프로그램이기 때문에 메모리에 저장되어 있다.
-인터럽트 벡터 : 인터럽트는 각기 다른 인터럽트 서비스 루틴 시작 주소를 가지고 있기 때문에 각각의 인터럽트를 구분하기 위한 정보
CPU가 인터럽트를 처리한다는 것은 인터럽트 서비스 루틴을 실행하고 본래 수행하던 작업으로 다시 되돌아온다는 것(인터럽트의 시작 주소는 인터럽트 벡터를 통해 알 수 있다.)이기에 기존에 실행되던 명령어에 대한 정보들은 스택 영역에 저장된다. 위 4번 과정으로 인터럽트가 끝나면 해당 정보들을 복구해서 다시 프로그램을 실행한다.
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