[혼공학습단 9기] 혼.공.컴.운. - 4. CPU의 작동 원리(미션 포함)

 

# 기본 미션

p. 125의 확인 문제 2번, p. 155의 확인 문제 4번 풀고 인증하기

p. 125 확인 문제 2번

문제: 설명에 맞는 레지스터를 보기에서 찾아 빈칸을 채워 보세요.

• (1): 연산 결과 혹은 CPU 상태에 대한 부가 정보를 저장하는 레지스터
• (2): 메모리에서 가져올 명령어의 주소를 저장하는 레지스터
• (3): 데이터와 주소를 모두 저장할 수 있는 레지스터
• (4): 해석할 명령어를 저장하는 레지스터

답:

1. 플래그 레지스터: 

2. 프로그램 카운터

3. 범용 레지스터

5. 명령어 레지스터

 

p. 155의 확인 문제 4번

문제: 다음 그림은 멀티코어 CPU를 간략하게 도식화한 그림입니다. 빈칸에 알맞은 용어를 써 넣으세요.

* 

답: 코어

해설: 코어는 CPU 내에서 명령어를 처리하는 부품으로, 이전에 배운 CPU의 개념이 옮겨왔다고 보면 된다.   CPU는 코어를 여러 개 가질 수 있으며, 이와 같은 CPU를 멀티코어 CPU라 부른다. 코어를 늘리는 것은 클럭 속도를 높이기 위함이다.

 

04-1 ALU와 제어장치

01-2절에서 배웠던 CPU 내부의 계산 담당, ALU에 대해 알아 보자

ALU

ALU가 어떤 정보를 받아들이고 내보내는지 표현한 그림

레지스터: 피연산자를 ALU로 전달

제어 장치: 수행할 연산을 알려주는 제어 신호 전달

ALU: 레지스터와 제어장치로부터 받아들인 피연산자와 제어 신호로 산술 연산, 논리 연산 등 다양한 연산 수행

ALU가 내보내는 정보

1. 연산 결괏값(숫자, 문자, 메모리 주소...): 메모리로 바로 저장되지 않고 일시적으로 레지스터에 저장된다.
2. 플래그: 연산 결과에 대한 추가적인 상태 정보(예: 음수, 오버플로우....)

[ALU가 내보내는 대표적인 플래그]

플래그 종류	의미	사용 예시
부호 플래그	연산한 결과의 부호를 나타낸다.	부호 플래그가 1일 경우 계산 결과는 음수, 0일 경우 계산 결과는 양수를 의미한다.
제로 플래그	연산 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 경우 발생하지 않았음을 의미한다.
인터럽트 플래그	인터럽트가 가능한지를 나타낸다. 인터럽트는 04-3절에서 설명한다.	인터럽트 플래그가 1일 경우 인터럽트가 가능함을 의미하고, 0일 경우 인터럽트가 불가능함을 의미한다.
슈퍼바이저 플래그	커널 모드로 실행 중인지, 사용자 모드로 실행 중인지를 나타낸다. 커널 모드와 사용자 모드는 09장에서 설명한다.	슈퍼바이저 플래그가 1일 경우 커널 모드로 실행중임을 의미하고, 0일 경우 사용자 모드로 실행 중임을 의미한다.

 

플래그 레지스터: 플래그가 저장되는 곳

예: ALU가 연산을 수행한 후 부호플래그가 0에서 1이 되었다면 연산 결과는 1 음수임을 알 수 있ㄷ.

 

그 외 ALU 내부의 회로들

가산기(덧셈), 보수기(뺄셈), 시프터(시프트 연산), 오버플로우 검출기(오버플로우 대비)...

 

제어 장치

제어 장치: 제어 신호를 내보내고, 명령어를 해석하는 부품

제어 신호: 컴퓨터 부품들을 관리하고 작동시키기 위한 일종의 전기 신호

 

1. 제어장치는 클럭 신호를 받아들인다.

클럭: 컴퓨터의 모든 부품을 일사불란하게 움직일 수 있게 하는 시간 단위. 그러나 모든 부품이 한 박자마다 한 번씩 작동하는 것은 아니다. 

 

2. 제어장치는 '해석해야 할 명령어'를 받아들인다.

CPU가 해석해야 할 명령어는 명령어 레지스터에 저장되고, 제어장치는 여기로부터 명령어를 받아들이고 해석한 뒤, 제어 신호를 발생시켜 컴퓨터 부품들에 수행해야 할 내용을 알려준다.

 

3. 제어장치는 플래그 레지스터 속 플래그 값을 받아들인다. 

제어장치는 플래그 값을 받아들이고 이를 참고해 제어 신호를 발생시킨다.

 

4. 제어 장치는 시스템 버스, 그중에서 제어 버스로 전달된 제어 신호를 받아들인다.

[제어장치가 내보내는 정보]

 

CPU 외부에 전달: 제어 버스로 제어 신호를 내보냄

• 메모리에 전달하는 제어 신호
• 입출력 장치에 전달하는 제어 신호

CPU 외부에 전달

• ALU에 전달하는 제어 신호: 수행할 연산을 지시
• 레지스터에 전달하는 제어 신호: 레지스터 간 데이터 이동, 레지스터에 저장된 명령어를 해석

04-2 레지스터

프로그램 속 명령어와 데이터는 실행 전후로 반드시 레지스터에 저장된다. 따라서 레지스터에 저장된 값만 잘 관찰해도 프로그램의 실행 흐름을 파악할 수 있다. CPU 안에는 다양한 레지스터들이 있고, 각기 다른 역할을 가지고 있다.

반드시 알아야 할 레지스터

많은 CPU가 공통으로 포함하고 있는 여덟 개의 레지스터를 학습해보자.

1. 프로그램 카운터
2. 명령어 레지스터
3. 메모리 주소 레지스터
4. 메모리 버퍼 레지스터
5. 플래그 레지스터
6. 범용 레지스터
7. 스택 포인터
8. 베이스 레지스터

프로그램 카운터

메모리에서 읽어 들일 명령어의 주소를 저장한다. 명령어 포인터라고 부르는 CPU도 있다.

명령어 레지스터

방금 메모리에서 읽어 들인 명령어를 저장하는 레지스터다. 제어장치는 명령어 레지스터 속 명령어를 받아들이고 이를 해석한 뒤 제어 신호를 내보낸다. 

메모리 주소 레지스터

메모리의 주소를 저장하는 레지스터. CPU가 읽어 등리고자 하는 주소 값을 주소 버스로 보낼 대 메모리 주소 레지스터를 거치게 된다.

메모리 버퍼 레지스터

메모리와 주고받을 값(데이터와 명령어)를 저장하는 레지스터. 데이터 버스로 주고받을 값은 메모리 버퍼 레지스터를 거친다. 메모리 데이터 레지스터(MDR: Memory Data Register)라고도 부른다.

 

[메모리에 저장된 프로그램을 실행하는 과정으로 알아보기]

 

1. CPU로 실행할 프로그램이 1000번지부터 1500번지까지 저장되어 있고, 1000번지에는 1101(2)이 저장되어 있다고 하자.
2. 프로그램을 처음부터 실행하기 위해 프로그램 카운터에 1000이 저장된다.
3. 주소 버스로 1000번지를 내보내기 위해 메모리 주소 레지스터에 1000이 저장된다.
4. '메모리 읽기' 제어 신호와 메모리 주소 레지스터 값이 각각 제어 버스와 주소 버스를 통해 메모리로 보내진다.
5. 1000번지 메모리에 저장된 값은 데이터 버스를 통해 메모리 버퍼 레지스터로 전달되고, 프로그램 카운터는 증가되어 다음 명령어를 읽어 들일 준비를 한다.
6. 메모리 버퍼 레지스터에 젖아된 값이 명령어 레지스터로 이동한다.
7. 제어장치가 명령어 레지스터의 명령어를 해석하고 제어 신호를 발생시킨다.
8. 프로그램 카운터 값이 증가했으므로 1000번지 명령어 처리가 끝나면 CPU가 다음 명령어(1001번지)를 읽어 들인다.(특정 메모리 주소로 실행 흐름을 이동하는 명령어가 실행되거나, 인터럽트가 발생하면 순차적인 실행 흐름이 끊긴다.)

범용 레지스터

다양하고 일반적인 상황에서 자유롭게 사용할 수 있는 레지스터. 현대 대다수 CPU는 모두 범용 레지스터를 가지고 있다.

플래그 레지스터(04-1절)

연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보 저장

 

특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식(1): 스택 주소 지정 방식

스택 주소 지정 방식: 스택과 스택 포인터를 이용한 주소 지정 방식

스택 포인터: 스택에 마지막으로 저장한 값의 위치를 저장하는 레지스터. 스택의 어디까지 데이터가 채워져 있는지에 대한 표시라고 보면 된다. 예를 들어 스택이 총 6칸이고, 아래 세 칸이 채워져 있다면 스택이 4번지까지 채워져 있다는 뜻으로 스택 포인터에 4번지가 저장된다.

스택 영역: 메모리 안에 다른 주소공간과는 다르게 스택처럼 사용하기로 암묵적으로 약속된 영역

 

특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식(2): 변위 주소 지정 방식

변위 주소 지정 방식: 오퍼랜드 필드의 값(변위)과 특정 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻어내는 주소 지정 방식

 

변위 주소 지정 방식을 사용하는 명령어의 구성

연산 코드: 이런 내용을 수행해라

레지스터: 이 레지스터 값과

오퍼랜드: 이 주소를 더한 곳에 있는 데이터로

 

변위 주소 지정 방식은 오퍼랜드 필드의 주소와 어떤 레지스터를 더하는지에 따라 상대 주소 지정 방식, 베이스 레지스터 주소 지정 방식 등으로 나뉜다.

 

상대 주소 지정 방식

오퍼랜드와 프로그램 카운터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식

예를 들어 오퍼랜드가 -3이라면, CPU는 프로그램 카운터에 저장된 읽어 들일 명령어의 주소보다 세 번째 이전 번지로 접근하여 명령어를 실행한다.

 

베이스 레지스터 주소 지정 방식

오퍼랜드와 베이스 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식

베이스 레지스터는 기준 주소, 오퍼랜드는 기준 주소로부터 떨어진 거리로서의 역할을 한다. 예를 들어 베이스 레지스터가 200이고 오퍼랜드가 40이라면, 기준 주소 200번지로부터 40만큼 떨어진 240번지에 접근하라는 걸 의미한다.

 

04-3 명령어 사이클과 인터럽트

명령어 사이클이란 하나의 명령어를 처리하는 정형화된 흐름이다. 이 흐름이 끊어지는 상황을 인터럽트라 한다. 이번 절에서는 이 두 가지에 대해 알아보자.

명령어 사이클

프로그램 속 각각의 명령어들이 반복되며 실행되는 주기. 프로그램을 이루는 수많은 명령어는 일반적으로 '인출'과 '실행' 사이클을 반복하며 실행된다.

 

인출 사이클: 메모리에 있는 명령어를 CPU로 가지고 오는 단계(위 순서의 2~6단계)

실행 사이클: CPU로 가져온 명령어를 실행하는 단계. 제어장치가 명령어 레지스터에 담긴 값을 해석하고, 제어 신호를 발생시키는 단계.

 

간접 사이클: 간접 주소 지정 방식과 같이 메모리 접근이 더 필요한 경우 필요한 단계

 

인터럽트

CPU의 작업을 방해하는 신호. 크게 동기 인터럽트와 비동기 인터럽트로 나뉜다.

 

동기 인터럽트 = 예외: CPU가 명령어들을 수행하다 예상치 못한 상황에 마주쳤을 때 발생시키는 인터럽트

비동기 인터럽트 = 하드웨어 인터럽트: 입출력 장치에 의해 발생하는 인터럽트

 

하드웨어 인터럽트

CPU가 입출력 작업 도중에도 효율적으로 명령어를 처리하기 위해 알림과 같이 사용(예: 프린터 작업이 끝나면 알림, 즉 인터럽트를 받도록 하고 그 동안에는 다른 작업을 처리하여 효율적으로 일할 수 있다.

 

하드웨어 인터럽트 처리 순서

1. 입출력 장치가 CPU에 인터럽트 요청 신호를 보낸다.
2. CPU는 실행 사이클이 끝나고 명령어를 인출하기 전 항상 인터럽트 여부를 확인한다.
3. CPU는 인터럽트 요청을 확인하고 인터럽트 플래그를 통해 현재 인터럽트를 받아들일 수 있는지 여부를 확인한다.
4. 인터럽트를 받아들일 수 있다면 CPU는 지금까지의 작업을 백업한다.
5. CPU는 인터럽트 벡터를 참조하여 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.
6. 인터럽트 서비스 루틴 실행이 끝나면 4에서 백업해 둔 작업을 복구하여 실행을 재개한다.

인터럽트 요청 신호: 입출력장치가 CPU에게 끼어들 수 있는지를 묻는 것

인터럽트 플래그: 플래그 레지스터에 위치. 하드웨어 인터럽트를 받아들일지, 무시할지를 결정하는 플래그. 막을 수 없는 인터럽트도 있는데 정전이나 하드웨어 고장으로 인한 인터럽트는 막을 수 없는, 우선순위 0순위의 인터럽트다.

 

인터럽트 서비스 루틴 = 인터럽트 핸들러: 인터럽트를 처리하기 위한 프로그램. CPU가 인터럽트 요청을 받아들이기로 했다면 이것을 실행한다. 어떤 인터럽트가 발생했을 때 해당 인터럽트를 어떻게 처리하고 작동해야 할지에 대한 정보로 이루어진 프로그램이다.

 

CPU가 인터럽트를 처리한다는 것은 인터럽트 서비스 루틴을 실행하고, 본래 수행하던 작업으로 다시 되돌아온다는 말과 같다. 입출력 장치마다 인터럽트를 처리하는 방법이 다르므로 각기 다른 인터럽트 서비스 루틴을 가지고 있다. 아래의 그림을 보면 좀 더 시각적으로 이해할 수 있다.

인터럽트 벡터: CPU가 인터럽트 서비스 루틴을 식별하기 위한 정보. CPU는 인터럽트 벡터를 사용해 인터럽트 서비스 루틴의 시작 주소를 파악하여 실행할 수 있다.