ALU와 제어장치
ALU
ALU는 레지스터를 통해 피연사자를 받아들이고, 제어장치로부터 수행할 연산을 알려주는 제어 신호를 받아들입니다. 그리고 ALU가 내보내는 정보로는 특정 숫자나 문자, 메모리 주소가 될 수 있는데 이 *결과값은 바로 메모리에 저장되지 않고 일시적으로 레지스터에 저장됩니다.
CPU가 메모리에 접근하는 속도는 레지스터에 접근하는 속도보다 훨씬 느립니다. 만약 연산을 할 때마다 결과를 메모리에 저장한다면 프로그램 실행 속도가 저하되기 때문에 결과값을 메모리가 아닌 레지스터에 우선 저장합니다.
ALU는 계산 결과와 더불어 플래그를 내보냅니다. 이 플래그는 ALU가 더 알아야할 연산 결과에 대한 추가 정보를 내보낼 때 사용됩니다. 대표적인 플래그는 아래와 같습니다.
| 플래그 종류 | 의미 | 사용 예시 |
| 부호 플래그 | 연산한 결과의 부호를 나타낸다. | 부호 플래그가 1일 경우 음수, 0일 경우 양수를 의미한다. |
| 제로 플래그 | 연산한 결과가 0인지 여부를 나타낸다. | 제로 플래그가 1일 경우 연산 결과는 0, 0일 경우 연산 결과는 0이 아님을 의미한다. |
| 캐리 플래그 | 연산 결과 올림수나 빌림수가 발생했는지를 나타낸다. | 캐리 플래그가 1일 경우 올림수나 빌림수가 발생했음을 의미하고 0일 경우 발생하지 않았음을 의미한다. |
| 오버플로우 플래그 | 오버플로우가 발생했는지를 나타낸다. | 오버플로우 플래그가 1일 경우 오버플로우가 발생했음을 의미하고 0일 겨우 발생하지 않았음을 의미한다. |
| 인터럽트 플래그 | 인터럽트가 가능한지를 나타낸다. | 인터럽트 플래그가 1일 경우 인터럽트가 가능함을 의미하고 0일 경우 인터럽트가 불가능함을 의미한다. |
| 슈퍼바이저 플래그 | 커널 모드로 실행 중인지, 사용자 모드로 실행 중인지를 나타낸다. | 슈퍼바이저 플래그가 1일 경우 커널 모드로 실행 중임을 의미하고, 0일 경우 사용자 모드로 실행 중임을 의미한다. |
이 플래그들은 플래그 레지스터라는 레지스터에 저장됩니다. 이 밖에도 덧셈을 위한 가산기, 뺄셈을 위한 보수기, 시프트 연산을 수행해 주는 시프터, 오버플로우를 대비한 오버플로우 검출기 등이 있습니다.
제어장치
제어장치는 제어 신호를 내보내고, 명령어를 해석하는 부품이라고 설명했습니다. 그리고 제어 신호는 컴퓨터 부품들을 관리하고 작동시키기 위한 일종의 전기 신호입니다.
위 이미지를 보면서 제어장치가 무엇을 받아들이고 무엇을 내보내는지 보도록하겠습니다.
1. 제어장치는 클럭 신호를 받아들입니다.
클럭이란 컴퓨터의 모든 부품을 일사불란하게 움직일 수 있게 하는 시간 단위로 클럭 주기에 맞춰 레지스터 끼리 데이터가 이동되거나 ALU에서 연산이 수행되거나 CPU가 메모리에 저장된 명령어를 읽어 들인다. 다만 컴퓨터 부품들은 클럭이라는 박자에 맞춰 작동할 뿐 한 박자마다 작동하는 것은 아니다.
2. 제어장치는 '해석해야 할 명령어'를 받아들입니다.
CPU가 해석해야 할 명령어는 명령어 레지스터라는 특별한 레지스터에 저장됩니다. 제어 장치는 이를 해석하고 제어 신호를 발생시켜 컴퓨터 부품들에 수행해야 할 내용을 알려줍니다.
3. 제어장치 플래그 레지스터 속 플래그 값을 받아들입니다.
플래그는 ALU 연산에 대한 추가적인 상태 정보로 제어장치는 플래그 값을 받아들이고 이를 참고하여 제어 신호를 발생시킵니다.
4. 제어장치는 시스템 버스, 그중에서 제어 버스로 전달된 제어 신호를 받아들입니다.
제어장치는 CPU 외부와 내부로 제어 신호를 내보냅니다.
레지스터
레지스터는 CPU마다 이름, 크기, 종류가 매우 다양한데 흔히 다루는 레지스터와 많은 CPU가 공통으로 포함하는 여덟 개의 레지스터는 아래와 같습니다.
프로그램 카운터
프로그램 카운터는 메모리에서 가져올 명령어의 주소, 즉 메모리에서 읽어 들일 명령어의 주소를 저장합니다. 명령어 포인터라고 부르기도 합니다.
명령어 레지스터
명령어 레지스터는 해석할 명령어, 즉 방금 메모리에서 읽어 들인 명령어를 저장하는 레지스터입니다. 제어장치는 명령어 레지스터 속 명령어를 해석하고 제어 신호로 내보냅니다.
메모리 주소 레지스터
메모리 주소 레지스터는 메모리의 주소를 저장하는 레지스터입니다.CPU가 읽어들이고자 하는 주소 값을 주소 버스로 보낼 때 메모리 주소 레지스터를 거치게 됩니다.
메모리 버퍼 레지스터
메모리 버퍼 레지스터는 메모리와 주고받을 값을 저장하는 레지스터입니다. 즉, 메모리에 쓰고 싶은 값이나 메모리로부터 전달받은 값은 메모리 버퍼 레지스터를 거칩니다.
범용 레지스터
범용 레지스터는 이름 그대로 다양하고 일반적인 상황에서 자유롭게 사용할 수 있는 레지스터로 범용 레지스터는 데이터와 주소를 모두 저장할 수 있다는 특징이 있습니다.
플래그 레지스터
플래그 레지스터는 연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보를 저장하는 레지스터입니다.
특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식
앞서 설명한 주소 지정 방식 외에도 레지스터를 사용한 주소 지정 방식이 있습니다. 프로그램 카운터, 스택 포인터, 베이스 레지스터라는 특별한 레지스터를 사용하는 방법입니다.
스택 주소 지정 방식
스택 주소 지정 방식은 스택과 스택 포인터를 이용한 주소 지정 방식입니다. 스택 포인터란 스택의 꼭대기를 가리키는 레지스터입니다. 즉, 스택에 마지막으로 저장한 값의 위치를 저장하는 레지스터입니다.
* 스택은 메모리 안에 존재합니다. 정확히는 메모리 안에 스택처럼 사용할 영역이 정해져 있고 이를 스택 영역이라고 합니다.
변위 주소 지정 방식
변위 주소 지정 방식이란 오퍼랜드 필드 값(변위)과 특정 레스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻어내는 주소 지정 방식입니다. 이때, 변위 주소 지정 방식은 오퍼랜드 필드의 주소와 어떤 레지스터를 더하는지에 따라 상대 주소 지정 방식, 베이스 레지스터 주소 지정 방식 등으로 나뉩니다.
상대 주소 지정 방식
상대 주소 지정 방식은 오퍼랜드와 프로그램 카운터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식입니다. 만약 오퍼랜드가 음수, 가령 -3이었다면 CPU는 읽어 들이기로 한 명령어로부터 '세 번째 이전' 번지로 접근합니다.
상대 주소 지정 방식은 프로그래밍 언어의 if문과 유사하게 모든 코드를 실행하는 것이 아닌, 분기하여 특정 주소의 코드를 실행할 때 사용됩니다.
베이스 레지스터 주소 지정 방식
베이스 레지스터 주소 지정 방식은 오퍼랜드와 베이스 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식입니다.
* 베이스 레지스터는 '기준 주소', 오퍼랜드는 '기준 주소로부터 떨어진 거리'로서의 역할을 합니다.
명령어 사이클과 인터럽트
CPU가 하나의 명령어를 처리하는 과정에서의 흐름과 그 흐름을 반복하며 처리해 나가는 정형화된 과정을 명령어 사이클이라고 하며, 정해진 흐름에 따라가다 흐름이 끊어지는 상황을 인터럽트라 합니다.
명령어 사이클
명령어 사이클은 간략하게 명령어를 메모리에서 CPU로 가져오는 인출 사이클, 인출한 명령어를 실행하는 실행 사이클로 이루어져 있으며 메모리에 명령어가 바로 있는 경우가 아닌 유효 주소를 들고 있는 경우 바로 실행 사이클로 돌입할 수 없기에 메모리에 한 번 더 접근해야합니다. 이를 위한 간접 사이클이 추가됩다.
인터럽트
인터럽트는 영어로 interrupt이며, '방해하다, 중단시키다'를 의미합니다. 즉, CPU가 수행 중인 작업은 방해를 받아 잠시 중단될 수 있는데 이러한 신호를 인터럽트라고 합니다.
인터럽트의 종류에는 크게 동기 인터럽트와 비동기 인터럽드가 있습니다. 동기 인터럽트는 CPU에 의해 발생하는 인터럽트로 프로그래밍상의 오류와 같은 예외적인 상황을 마주쳤을 때 발생하는 인터럽트가 동기 인터럽트입니다. 하여 예외(exception)라고 부르기도 합니다. 비동기 인터럽트는 주로 입출력장치에 의해 발생하는 인터럽트입니다. 때문에 하드웨어 인터럽트라 부르기도 합니다.
하드웨어 인터럽트 (비동기 인터럽트)
하드웨어 인터럽트는 입출력장치가 명령어를 처리하는 동안에도 CPU가 다른 작업을 계속할 수 있도록 합니다. CPU가 하드웨어 인터럽트를 처리하는 순서는 아래와 같습니다.
- 입출력장치는 CPU에 인터럽트 요청 신호를 보냅니다.
- CPU는 실행 사이클이 끝나고 명령어를 인출하기 전 항상 인터럽트 여부를 확인합니다.
- CPU는 인터럽트 요청을 확인하고 인터럽트 플래그를 통해 현재 인터럽트를 받아들일 수 있는지 여부를 확인합니다.
- 인터럽트를 받아들일 수 있다면 CPU는 지금까지의 작업을 백업합니다.
- CPU는 인터럽트 벡터를 참조하여 인터럽트 서비스 루틴을 실행합니다.
- 인터럽트 서비스 루틴 실행이 끝나면 4.에서 백업해 둔 작업을 복구하여 실행을 재개합니다.
인터럽트 플래그는 말 그대로 하드웨어 인터럽트를 받아들일지 무시할 지를 결정하는 플래그입니다. 만약 요청을 받아들이기로 했다면 '어떤 인터럽트 요청에 대해 어떻게 작동한다'와 같이 인터럽트를 어떻게 처리하고 작동해야 할지에 대한 정보로 이루어진 프로그램을 인터럽트 서비스 루틴(인터럽트 핸들러)라고 부릅니다.
CPU는 이러한 각기 다른 인터럽트 서비스 루틴을 구분하기 위해서 인터럽트 벡터를 이용합니다. 인터럽트 벡터를 알면 인터럽트 서비스 루틴의 시작 주소를 알 수 있습니다.
인터럽트의 시작 주소를 인터럽트 벡터가 알고있다면 인터럽트 서비스 루틴이 종료된 후 돌아와야할 주소는 메모리 내 스택 영역에 백업됩니다. 다시 말해 인터럽트를 처리하고 나면 스택에 저장해 둔 값을 다시 불러온 뒤 이전까지 수행했던 작업을 재개합니다.
예외의 종류
예외가 발생하면 CPU는 하던 일을 중단하고 해당 예외를 처리합니다. 여기서 예외가 발생한 명령어부터 재개하는 예외를 폴트, 예외를 처리한 직후 다음 명령어부터 실행을 재개하는 예외를 트랩ex.디버깅 이라 합니다.
중단은 CPU가 실행 중인 프로그램을 강제로 중단시킬 수 밖에 없는 심각한 오류를 발견했을 때 발생하는 예외입니다.
소프트웨어 인터럽트는 시스템 호출이 발생했을 때 나타납니다.