유성이의 공부일지(4) - 혼자공부하는 컴퓨터 구조 + 운영체제 4장

04-1. ALU와 제어장치

ALU

- ALU는 레지스터를 통해 피연산자를 받아들이고, 제어장치로부터 수행할 연산을 알려주는 제어 신호를 받아들임
- 레지스터와 제어장치로부터 받아들인 피연산자와 제어 신호로 산술 연산, 논리 연산 등 다양한 연산을 수행함
- ALU가 내보내는 대표적인 플래그는 아래와 같다

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 플러그	연산 결과가 0인지 여부를 나타낸다	제로 플러그가 1일 경우 연산 결과는 0, 0일 경우 연산결과는 0이 아님을 의미한다.
캐리 플래그	연산 결과 올림수나 빌림수가 발생했는지를 나타낸다.	캐리 플래그가 1일 경우 올림수나 빌림수가 발생했음을 의미하고, 0일 경우
오버플로우 플래그	오버플로우가 발생했는지를 나타낸다	오버플로우 플래그가 1일 경우
인터럽트 플래그	인터럽트가 가능한지를 나타낸다.	인터랩트 플래그가 1일 경우 인터럽트가 가능함을 의미하고, 0일 경우 인터럽트가 불가능함을 의미한다.
슈퍼바이저 플래그	커널 모드가 실행 중인지, 사용자 모드로 실행 중인지를 나타낸다.	슈퍼바이저 플래그가 1일 경우 커널 모드로 실행 중임을 의미하고, 0일 경우 사용자 모드로 실행 중임을 의미한다.

 
- 플래그 레지스터는 이름 그대로 플래그 값들을 저장하는 레지스터임

 

제어장치

- 제어장치는 제어 신호를 내보내고, 명령어를 해석하는 부품
- 제어신호는 컴퓨터 부품들을 관리하고 작동시키기 위한 일종의 전기신호
- 첫쨰 제어장치는 클럭 신호를 받아들임
- 클럭이란 컴퓨터의 모든 부품을 일사분란하게 움직일 수 있게 하는 시간단위임
- 둘째 제어장치는 해석해야 할 명령어를 받아들임
- CPU가 해석해야 할 명령어는 명령어 레지스터라는 특별한 레지스터에 저장됩니다
- 제어장치는 이 명령어 레지스터로부터 해석할 명령어를 받아들이고 해석한 뒤, 제어 신호를 발생시켜 컴퓨터 부품들에 수행해야 할 내용을 알려줌
- 셋째 제어장치는 플러그 래지스터 속 플래그 값을 받아들임
- 넷째 제어장치는 시스템 버스, 그중에서 제어 버스로 전달된 제어 신호를 받아들임
- 제어장치는 클럭, 현재 수행할 명령어 플래그, 제어 신호를 받아들임
- 제어장치는 CPU 내부와 외부로 제어 신호를 내보냄
- 제어장치가 메모리에 저장된 값을 읽거나 메모리에 새로운 값을 쓰고 싶다면 메모리로 제어 신호를 내보냄

04-2. 레지스터

반드시 알아야 할 레지스터

- 상용화된 CPU 속 레지스터들은 CPU마다 이름,크기, 종류가 매우 다양함
- 이 중 가장 대중적인 레지스터는 Intel x86, ARM임
 

프로그램 카운터

- 메모리에서 가져올 명령어의 주소, 즉 메모리에서 읽어 들일 명령어의 주소를 저장함
- 프로그램 카운터를 명령어 포인터라고 부르는 CPU도 있음
 

명령어 레지스터

- 메모리에서 읽어 들인 명령어를 저장하는 레지스터
- 제어장치는 명령어 레지스터 속 명령어를 받아들이고 이를 해석한뒤 제어신호를 내보냄
 

메모리 주소 레지스터

- 메모리의 주소를 저장하는 레지스터
- CPU가 읽어 들이고자 하는 주소 값을 주소 버스로 보낼 때 메모리 주소 레지스터를 거침
 
메모리 주소 레지스터
- 메모리의 주소를 저장하는 레지스터
- CPU가 읽어 들이고자 하는 주소 값을 주소 버스로 보낼 때 메모리 주소 레지스터를 거침
 

메모리 버퍼 레지스터

- 메모리와 주고 받을 값(데이터와 명령어)을 저장하는 레지스터
- 즉 메모리에 쓰고 싶은 값이나 메모리부터 전달받은 값은 메모리 버퍼 레지스터를 거침
- CPU가 주소 버스로 내보낼 값이 메모리 주소 레지스터를 거친다면, 데이터 버스로 주고받을 값은 메모리 버퍼 레지스터를 거침
 

범용 레지스터

- 이름 그대로 다양하고 일반적인 상황에서 자유롭게 사용할 수 있는 레지스터
- 범용 레지스터는 데이터와 주소 모두 저장 가능함
 

플래그 레지스터

- 연산결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보를 저장하는 레지스터
 

스택 주소 지정 방식

- 스택 포인터는 스택 주소 지정 방식에 사용됨
- 스택 주소 지정 방식은 스택과 스택 포인터를 이용한 주소 지정 방식
- 스택 포인터는 스택의 꼭대기를 가리키는 스택에 마지막으로 저장한 값의 위치를 저장하는 레지스터
- 스택 영역은 메모리 안에 스택처럼 사용할 영역이 정해저 있는 것
 

특정 레지스터를 이용한 지정 방식(2) : 변위 주소 지정 방식

- 오퍼랜드 필드의 값(변위)와 특정 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻어내는 주소 지정 방식
- 그래서 변위 주소 지정 방식을 사용하는 명령어는 연산 코드 필드, 어떤 레지스터의 값과 더할지 나타내는 레지스터 필드, 주소를 담고 있는 오퍼랜드 필드가 있음
 

상대 주소 지정 방식

- 오퍼랜드와 프로그램 카운터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식
- 프로그램 카운터에는 읽어 들일 명령어의 주소가 저장되어 있음
- 예를 들어 오퍼랜드가 음수, -3이었다면 CPU는 읽어 들이기로 한 명령어 부터 세 번째 이전 번지로 접근함
- 하지만 3이라면 세 번째 이후 번지로 접근함
 

베이스 레지스터 주소 지정 방식

- 오퍼랜드와 베이스 레지스터 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식
- 여기서 베이스 레지스터는 기준 주소, 오퍼랜드는 기준 주소로부터 떨어진 거리로서 역할을 함
- 즉 베이스 레지스터 주소 지정 방식은 베이스 레지스터 속 기준 주소로 부터 얼마나 떨어져 있는 주소에 접근할 것인지를 연산하여 유효주소를 얻어내는 방식
 

04-3. 명령어 사이클과 인터럽트

 

명령어 사이클

- 프로그램 속 각각의 명령어들이 일정한 주기가 반복되며 실행하는데 이 주기를 명령어 사이클이라고 함
- 메모리에 있는 명령어를 CPU로 가져오는 단계를 인출 사이클이라고 함
- CPU로 가져오는 명령어를 실행하는 단계를 실행 사이클이라고 함
- 명령어를 실행하기 위해서는 메모리 접근을 한번 더 해야하는데 이 단계를 간접 사이클이라고 함
 

인터럽트

- CPU의 작업을 방해하는 신호를 인터럽트라고 함
- 인터럽트의 종류에는 두 가지가 있는데 동기 인터럽트와 비동기 인터럽트가 있음
- 동기 인터럽트는 CPU에 의해 발생하는 인터럽트
- CPU가 실행하는 프로그래밍상의 오류와 같은 예외적인 상황이 마추쳤을때 발생하는 인터럽트가 동기 인터럽트
- 이런 점에서 동기 인터럽트는 예외라고 부름
- 비동기 인터럽트는 주로 입출력장치에 의해 발생하는 인터럽트
- 세탁기 완료 알림, 전자레인지 조리 완료 알림과 같은 알림 역할을 함
 

하드웨어 인터럽트

- 알림과 같은 인터럽트임
- CPU는 입출력 작업 도중에도 효율적으로 명령어를 처리하기 위해 이런 알림과 같은 하드웨어 인터럽트를 사용함
 

하드웨어 인터럽트 처리 순서

1. 입출력장치는 CPU에 인터럽트 요청 신호를 보냅니다
2. CPU는 실행 사이클이 끝나고 명령어를 인출하기 전 항상 인터럽트 여부를 확인합니다
3. CPU는 인터럽트 요청을 확인하고 인터럽트 플래그를 통해 현재 인터럽트를 받아들일 수 있는 지 여부를 확인합니다
4. 인터럽트를 받아들일 수 있다면 CPU는 지금까지의 작업을 백업합니다.
5. CPU가 인터럽트 벡터를 참조하여 인터럽트 서비스 루틴을 실행합니다
6. 인터럽트 서비스 루틴이 끝나면 4번에서 백업해둔 작업을 복구하여 실행을 재개합니다

- 인터럽트 요청 신호는 CPU에 정상적인 실행의 흐름이 끊길 것 같을때 CPU에게 한번더 물어보는 것을 뜻함
- 인터럽트 플래그는 CPU가 인터럽트 요청을 수행하기 위해서 활성화 해야하는 것
- 말 그대로 하드웨어 인터럽트를 받아들일지, 무시할지 결정하는 플래그
- 만약 인터럽트 플래그가 불가능으로 설정되어 있다면 CPU는 해당 인터럽트 요청이 와도 무시함
- 반대로 가능으로 설정되어 있으면 요청을 받아들이고 처리함
- 하드웨어 인터럽트에는 막을 수 있는 인터럽트와 막을 수 없는 인터럽트가 있음
- 인터럽트 서비스 루틴은 인터럽트를 처리하기 위한 프로그램 또는 인터럽트 핸들러라고 부름
- 인터럽트 서비스 루틴은 키보드가 어떤 인터럽트 요청을 보냈을때는 어떻게 작동하고, 마우스가 요청했을 때, 프로그램에 문제가 생기는 등, 어떻게 처리하고 작동해야 할지에 대한 정보로 이루어진 프로그램임
- 인터럽트 백터는 인터럽트 서비스 루틴을 식별하기 위한 정보임
 
추가로!!
- 폴트는 예외를 처리한 직후 예외가 발생한 명령어부터 실행을 재개하는 예외임
- 트랩은 예외를 처리한 직후 예외가 발생한 명령어의 다음 명령어 부터 실행을 재개하는 예외
- 디버깅이란 프로그램 개발 중에 발생한 문제를 진단하고 해결하기 위한 작업
- 중단은 CPU가 실행중인 프로그램을 강제로 중단시킬 수 밖에 없는 심각한 오류를 발견했을 때 발생하는 예외
- 소프트웨어 인터럽트는 시스템 호출이 발생했을 때 나타남