Chapter 04 CPU와 작동 원리 - goorm-6th-Als/for_study_Algorithm GitHub Wiki

04-2 레지스터(Register)

레지스터는 CPU 내에 있는 작은 임시 저장 장치이다.

  • 프로그램 속 명령어와 데이터는 실행 전후로 반드시 레지스터에 저장된다.
  • 레지스터에 저장된 값만 잘 관찰해도 프로그램의 실행 흐름을 파악할 수 있다.
  • 많은 CPU가 공통으로 포함하고 있는 여덟 개의 레지스터는 아래와 같다.

1. 프로그램 카운터

  • 메모리에서 읽어 들일 명령어의 주소를 저장한다.
  • CPU에 따라 명령어 포인터라고 불리기도 한다.

2. 명령어 레지스터

  • 메모리에서 읽어 들인 명령어를 저장한다.
  • 제어장치는 명령어 레지스터 속 명령어를 받아들이고 이를 해석한 뒤 제어신호를 내보낸다.

3. 메모리 주소 레지스터

  • 메모리의 주소를 저장한다.
  • CPU가 읽어들이고자 하는 주소 값을 주소 버스로 보낼 때 메모리 주소 레지스터를 거치게 된다.

4. 메모리 버퍼 레지스터

  • 메모리와 주고받을 값(데이터와 명령어)을 저장한다.
  • 메모리에 쓰고 싶은 값이나 메모리로부터 전달받은 값은 메모리 버퍼 레지스터를 거치게 된다.

❗️ 위 레지스터에 값이 담기는 과정

(1) 프로그램을 실행하기 위해 프로그램 카운터에 1000이 저장된다.
이는 메모리에서 가져올 명령어가 1000번지에 있다는 걸 의미한다. 0

(2) 1000번지를 읽어 들이기 위해 주소 버스로 1000번지를 내보낸다.
메모리 주소 레지스터에 1000이 저장된다.
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(3) 메모리 주소 레지스터 값은 제어 버스와 주소 버스를 통해 메모리로 보내지고, 메모리 1000번지에 저장된 값은 데이터 버스를 통해 메모리 버퍼 레지스터로 전달된다.
프로그램 카운터가 증가되어 다음 명령어를 읽어 들일 준비를 한다.
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(4) 메모리 버퍼 레지스터에 저장된 값이 명령어 레지스터로 이동한다.
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(5) CPU 속 프로그램 카운터는 지속적으로 증가하기 때문에 계속해서 다음 명령어를 읽어 들일 준비를 한다.
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5. 플래그 레지스터

  • 연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보를 저장한다.

6. 범용 레지스터

  • 다양하고 일반적인 상황에서 자유롭게 사용할 수 있다.
  • 메모리 버퍼 레지스터나 메모리 주소 레지스터는 각각 주고받을 값과 주소값만 저장하지만 범용 레지스터는 데이터와 주소를 모두 저장할 수 있다.
  • 일반적으로 CPU 안에는 여러 개의 범용 레지스터들이 있고, 대다수 CPU는 모두 범용 레지스터를 가지고 있다.

[특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식(1): 스택 주소 지정 방식]

스택 주소 지정 방식은 스택과 스택 포인터를 이용한 주소 지정 방식이다.
스택은 메모리 내에 있는 한쪽 끝이 막혀 있는 통과 같은 저장 공간이며, 가장 최근에 저장하는 값부터 꺼낼 수 있다.

7. 스택 포인터

  • 스택 포인터란 스택의 꼭대기를 가리키는 레지스터이다.
  • 즉, 스택 포인터는 스택에 마지막으로 저장한 값의 위치를 저장하기 때문에 스택의 어디까지 데이터가 채워져 있는지에 대한 표시라고도 볼 수 있다.
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[특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식(2): 변위 주소 지정 방식]

변위 주소 지정 방식은 오퍼랜드 필드의 값(변위)과 특정 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻어내는 주소 지정 방식이다.
(명령어는 연산 코드와 오퍼랜드로 이루어져 있으며, 오퍼랜드 필드에 메모리의 주소가 담길 때도 있음.)
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변위 주소 지정 방식을 사용하는 명령어는 연산 코드 필드, 레지스터 필드, 오퍼랜드 필드가 있다.
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이때, 어떤 레지스터를 더하는지에 따라 아래 두 지정 방식으로 나뉜다.

상대 주소 지정 방식

  • 오퍼랜드와 프로그램 카운터의 값을 더해 유효 주소를 얻는 방식이다.
  • 프로그램 카운터에는 읽어 들일 명령어의 주소가 저장되어 있다.
  • 특정 주소의 코드를 실행할 때 사용된다.

ex) 오퍼랜드가 -3이면 CPU는 실행하려는 명령어의 '세 번째 이전' 번지 명령어를 실행
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베이스 레지스터 주소 지정 방식

  • 오퍼랜드와 베이스 레지스터의 값을 더해 유효 주소를 얻는 방식이다.
  • 이때 베이스 레지스터는 '기준 주소', 오퍼랜드는 '기준 주소로부터 떨어진 거리'로서의 역할을 한다.
  • 즉, 기준 주소로부터 얼마나 떨어져 있는 주소에 접근할 것인지를 연산하는 방식이다.

ex) 베이스 레지스터 값이 200이고 오퍼랜드의 값이 40이라면 '기준 주소 200번지로부터 40만큼 떨어진 240번지'로 접근
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04-3 명령어 사이클과 인터럽트

명령어 사이클

CPU는 프로그램 명령어를 클럭에 따라 일정한 주기를 반복하여 실행하는데, 이 주기를 명령어 사이클(Instruction Cycle)이라고 합니다.

  • 인출 사이클: 메모리에 있는 명령어를 CPU로 가지고 오는 단계
  • 실행 사이클: CPU로 가져온 명령어를 실행하는 단계
  • 간접 사이클: 명령어의 오퍼랜드(operand)가 간접 주소 지정방식인 경우에 유효주소를 계산하기 위해서 메모리에 접근하는 단계
    명령어 사이클

인터럽트

CPU의 작업을 방해하는 신호

동기 인터럽트(예외)

CPU에 의해 발생하는 인터럽트 ex) 프로그래밍상의 오류

비동기 인터럽트(하드웨어 인터럽트)

입출력장치에 의해 발생하는 인터럽트

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 있는지 여부를 확인합니다.
  4. 인터럽트를 받아들일 수 있다면 CPU는 지금까지의 작업을 백업합니다.
  5. CPU는 인터럽트 벡터를 참조하여 인터럽트 서비스 루틴을 실행합니다.
  6. 인터럽트 서비스 루틴 실행이 끝나면 백업해 둔 작업을 복구하여 실행을 재개합니다.
    인터럽트 처리 과정
  • 인터럽트 요청 신호: CPU의 작업을 방해하는 인터럽트에 대한 요청
  • 인터럽트 플래그: 인터럽트 요청 신호를 받아들일지 무시할지를 결정하는 비트
  • 인터럽트 벡터: 인터럽트 서비스 루틴의 시작 주소를 포함하는 인터럽트 서비스 루틴의 식별 정보
  • 인터럽트 서비스 루틴(인터럽트 핸들러): 인터럽트를 처리하는 정보로 이루어진 프로그램

CPU가 인터럽트를 처리한다 == 인터럽트 서비스 루틴을 실행하고, 본래 수행하던 작업으로 되돌아온다

본래 수행하던 작업으로 어떻게 되돌아오지?
CPU는 인터럽트 서비스 루틴을 실행하기 전에 프로그램 카운터 값 등 현재 프로그램을 재개하기 위해 필요한 모든 내용을 스택에 백업합니다!
스택에 저장

예외의 종류

  • 폴트: 예외를 처리한 직후 예외가 발생한 명령어부터 실행을 재개하는 예외
  • 트랩: 예외를 처리한 직후 예외가 발생한 명령어의 다음 명령어부터 실행을 재개하는 예외 ex) 디버깅
  • 중단: CPU가 실행 중인 프로그램을 강제로 중단시킬 수밖에 없는 심각한 오류를 발견했을 때 발생하는 예외
  • 소프트웨어 인터럽트: 시스템 호출이 발생했을 때 나타나는 예외
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