ALU, 제어장치, 명령어 사이클, 인터럽트

세용용용용 2024. 3. 18. 19:29

[ "혼자 공부하는 컴퓨터구조 + 운영체제" ] 공부한 후 정리한 내용 입니다

1. ALU

ALU는 CPU 내부 "계산기" 역할을 담당하는 요소로, 산술 연산과 논리 연산을 수행한다.

(1) 받아들이는 정보 / 내보내는 정보

ALU가 계산을 수행하기 위해 두 가지 정보가 필요하다.

[ 입력 ]

피연산자(Operand)
→ 레지스터로부터 전달
제어 신호(Control Signal)
→ 제어 장치로부터 전달
→ 어떤 연산을 수행할지 지정

[ 출력 ]

연산 결과
→ 다시 레지스터에 저장
플래그 정보
→ 연산 결과에 대한 부가 정보를 플래그 레지스터에 저장

(2) 플래그(Flag)란?

플래그는 연산 결과의 상태를 나타내는 정보 → 플래그 레지스터라는 특수한 레지스터에 저장된다.

[ 플래그 종류 ]
부호 플래그 : 연산 결과 부호
제로 플래그 : 연산 결과가 0인지 여부
캐리 플래그 : 연산 결과 올림수나 빌림수가 발생했는지 여부
오버플로우 플래그 : 오버플로우 발생 여부( 연산 결과가 저장할 레지스터에 비해 클 경우 )
인터럽트 플래그 : 인터럽트가 가능한지 여부 ( 비활성화 시 인터럽트 요청을 무시함 )
슈퍼바이저 플래그 : 현재 실행 모드 ( 커널 모드로 실행 중인지, 사용자 모드 실행인지 )

2. 제어장치

제어 장치는 CPU에서 지휘자 역할을 하는 요소로 → "명령어"를 해석하고 수행을 제어한다.

(1) 받아들이는 정보 / 내보내는 정보

제어 장치는 여러 구성 요소로부터 정보를 받아 제어 신호를 생성하고 전달한다.

[ 입력 ]

클럭 : 모든 명령어는 클럭 신호에 맞춰 순차적으로 수행
명령어 레지스터 : 현재 실행할 명령어를 저장 → 제어 장치는 해당 명령어를 읽고 해석
플래그 레지스터 : ALU 연산 결과에 대한 상태 정보를 제공
제어 버스 : 컴퓨터 각 부품들과 제어 신호를 주고 받는 통로

[ 출력 ]

제어 신호 ( 제어 장치가 생성하는 신호로 다음과 같은 동작을 지시 )

- ALU가 수행할 연산 종류
- 레지스터에 값 저장 여부
- 메모리 읽기 / 쓰기 제어
- 입출력 장치 동작 제어

(2) 동작 흐름 요약

클럭 신호에 맞춰 명령 수행 시작
명령어 레지스터에 저장된 명령어 해석
플래그 레지스터의 상태를 참고
필요한 제어 신호를 생성
제어 버스를 통해 각 부품에 전달

3. 레지스터

CPU 내부 작은 임시 저장 장치로 → 명령어 실행 과정에서 "데이터 ·주소·상태 정보"를 임시로 저장한다.
CPU 내부에는 역할에 따라 다양한 레지스터가 존재한다.

(1) 주요 레지스터 종류

1. 프로그램 카운터 : 다음에 실행할 명령어의 메모리 주소를 저장
2. 명렁어 레지스터 : 방금 메모리에서 읽어온 명령어를 저장 → 제어 장치가 해당 명령어를 해석
3. 메모리 주소 레지스터 : 접근할 메모리 주소를 저장 → 메모리 읽기/쓰기 대상 주소 지정
4. 메모리 버퍼 레지스터 : 메모리와 주고받는 데이터 또는 명령어를 저장 ( 메모리 ↔ CPU 간 데이터 이동 시 사용 )
5. 플래그 레지스터 : ALU 연산 결과에 대한 부가 정보 저
6. 범용 레지스터 : 다양한 상황에서 자유롭게 사용 ( 프로그램 실행 중 가장 빈번하게 사용 )
7. 스택 포인터 : 특별한 주소지정에 사용 → 스택 포인터를 이용한 주소 지정 방식, 맨 꼭데기