운영체제 Day4 (CPU의 작동 원리)

ALU와 제어장치

• ALU: 계산담당
• 제어장치: 명령어를 읽고 해석
• 레지스터: 작은 임시 저장 장치

ALU

• Input

ALU는 레지스터를 통해 피연산자를 받아들이고, 제어장치로부터 수행할 연산을 알려주는 제어 신호를 받아들인다.

• Output

연산을 수행한 결과는 특정 숫자나 문자가 될 수 있고, 메모리 조수가 될 수도 있다. 이 값은 바로 메모리에 저장되지 않고 일시적으로 레지스터에 저장이 된다.(속도의 편차에 따른 성능 저하를 막기 위함)

NOTE❗️
ALU는 계산 결과와 더불어 플래그를 내보낸다. 이 플래그는 연산 결과 이외에 추가 정보가 필요할 때 사용된다.(플래그 레지스터에 저장)

제어장치

1. 제어장치는 클럭 신호를 받아들인다

클럭이란 컴퓨터의 모든 부품을 일사불란하게 움직일 수 있게 하는 시간 단위이다. 클럭의 주기에 맞춰 한 레지스터에서 다른 레지스터로 데이터가 이동되거나, ALU에서 연산이 수행되거나, CPU가 메모리에 저장된 명령어를 읽어 들인다.

2. 제어장치는 '해석해야 할 명령어'를 받아들인다

CPU가 해석해야 할 명령어는 명령어 레지스터에 저장된다. 제어장치는 해당 제어장치로부터 해석할 명령어를 받아들이고 해석한뒤, 제어 신호를 발생 시킨다.

3. 제어장치는 플래그 레지스터 속 프래그 값을 받아들인다.

4. 제어장치는 시스템 버스, 그중 제어 버스로 전달된 제어 신호를 받아들인다.

• 외부로의 제어신호

  • 메모리

    메모리에 저장된 값을 읽거나 메모리에 새로운 값을 쓰고 싶을때 메모리로 제어신호를 보낸다.

  • 입출력장치

    입출력장치의 값을 읽거나 입출력장치에 새로운 값을 쓰고 싶을때 입출력장치로 제어신호를 보낸다.

• 내부로의 제어신호

  • ALU

    수행할 연산을 지시할때

  • 레지스터
    레지스터 간에 데이터를 이동시키거나 레지스터에 저장된 명령어를 해석하기 위해 제어신호를 보낸다

레지스터

프로그램 속 명령어와 데이터는 실행 전후로 반듯 레지스터에 저장된다. 레지스터에 저장된 값만 잘 관찰해도 프로그램의 실행 흐름을 파악이 가능하다.

반드시 알아야 할 레지스터

• 프로그램 카운터

메모리에서 가져올 명령의 주소를 저장한다. 프로그램 카운터를 명령어 포인터라고 부르기도 한다.

• 명령어 레지스터

명령어 레지스터는 해석할 명령어를 저장한다.

• 메모리 주소 레지스터
  메모리의 주소를 저장하는 레지스터

• 메모리 버퍼 레지스터
  메모리의 버퍼 레지스터는 메모리와 주고받을 값을 저장하는 레지스터이다.

• 범용 레지스터

다양하고 일반적인 상황에서 자유롭게 사용할 수 있는 레지스터이다.

• 플래그 레지스터

연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보를 저장하는 레지스터이다.

스택 주소 지정 방식

• 스택 포인터

스택의 꼭대기를 가리키는 레지스터이다.

변위 주소 지정 방식

오퍼랜드 필드의 값과 특정 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻어내는 주소 지정 방식이다.

• 상대 주소 지정 방식(프로그램 카운터 기준)

• 베이스 레지스터 주소 지정 방식

명령어 사이클과 인터럽트

CPU는 정해진 흐름에 따라 명령어를 처리해 나가지만 간혹 이 흐름이 끊기는 상황이 발생하는데 이를 인터럽트라고 한다.

명령어 사이클

프로그램 속 각각의 명령어들은 일정한 주기가 반복되며 실행된다. 이 주기를 명령어 사이클이라고 한다. 즉 프로그램 속 각각의 명령어들은 명령어 사이클이 반복되며 실행된다.

• 인출 사이클

메모리에 있는 명령어를 CPU로 가지고 오는 단계

• 실행 사이클

인출해온 명령어를 실행하는 단계

명령어는 일반적으로 인출과 실행 사이클을 반복하며 실행된다.

• 간접 사이클

오퍼랜드 필드에 유효 주소의 주소를 명시하는 경우 명령어를 인출하여 CPU로 가져왔다 하더라도 바로 실행 사이클에 돌입할 수 없다. 명령어를 실행하기 위해서는 메모리 접근을 한 번 더 해야 하기 때문이다. 이 단계를 간접 사이클이라고 한다.

인터럽트

• 동기 인터럽트

CPU에 의해 발생하는 인터럽트이다. CPU가 실행하는 프로그래밍상의 요류와 같은 예외적인 상황에 마주쳤을 때 발생하는 인터럽트가 동기 인터럽트이다.(예외)

• 비동기 인터럽트

입출력장치에 의해 발생하는 인터럽트이다.(하드웨어 인터럽트)

• 하드웨어 인터럽트

하드웨어 인터럽트를 이용하면 CPU는 주기적으로 입출력 작업의 완료 여부를 확인할 필요가 없다. CPU는 입출력 장치로부터 완료 인터럽트를 받을 때까지 다른 작업을 처리할 수 있다.

NOTE❗️

• 인터럽트 서비스 루틴

'CPU가 인터럽트를 처리한다' -> '인터럽트 서비스 루틴을 실행하고, 본래 수행하던 작업으로 다시 되돌아온다'

• 인터럽트 백터

인터럽트 서비스 루틴의 시작 주소를 포함하는 인터럽트 서비스 루틴의 식별 정보

출처: 혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제, 강민철 지음