CPU의 작동 원리 4 - 명령어 사이클과 인터럽트

이제 4단원의 마지막 단원을 진행해 보겠다. 곧 점심시간이라 얼마 공부하지 못하겠지만 서론이라도 학습해 볼 것이다. CPU가 하나의 명령어를 처리하는 흐름인 명령어 사이클과 그 흐름을 방해하는 인터럽트에 대해 학습하게 된다.

강의 자료의 화질이 너무 안 좋아서 상태를 봐서 책을 스캔해서 수정해야 할 것 같다.

 

 

CPU가 하나의 명령어를 처리하는 과정에는 어떤 정해진 흐름이 있고, CPU는 그 흐름을 반복하며 명령어들을 처리해 나간다. 이렇게 하나의 명령어를 처리하는 정형화된 흐름을 명령어 사이클이라고 한다.

CPU는 정해진 흐름에 따라 명령어를 처리해 나가지만, 간혹 이 흐름이 끊어지는 상황이 발생한다. 이를 인터럽트라고 한다.

---

 

 

 

명령어 사이클

우리가 실행하는 프로그램은 수많은 명령어로 이루어져 있고, CPU는 이 명령어들을 하나씩 실행한다. 이때 프로구램 속 각각의 명령어들은 일정한 주기가 반복되며 실행되는데, 이 주기를 명령어 사이클이라고 한다.

 

 

가장 먼저 할 일은 명령어를 메모리에서 CPU로 가져오는 것이다. 메모리에 있는 명령어를 CPU로 가지고 오는 단계를 인출 사이클이라고 한다.

 

 

 

CPU로 가져온 명령어를 실행하는 단계를 실행 사이클이라고 한다. 제어 장치가 명령어 레지스터에 담긴 값을 해석하고, 제어 신호를 발생시키는 단계이다.

 

 

 

 

프로그램을 이루는 수많은 명령어는 일반적으로 인출과 실행 사이클을 반복하며 실행된다. 

 

 

 

예를 들어 간접 주소 지정 방식을 생각해보자. 간접 주소 지정 방식은 오퍼랜드 필드에 유효 주소의 주소를 명시한다. 이 경우 명령어를 인출하여 CPU로 가져왔다 하더라도 비로 실행 사이클에 돌입할 수 없다. 명령어를 실행하기 위해서는 메모리 접근을 한 번 더 해야 하기 때문이다.

 

이 단계를 간접 사이클이라고 한다. 명령어 사이클에서 고려해야 할 것이 하나 더 남아있는데 그것은 인터럽트이다.

---

 

 

 

 

인터럽트

프로그램을 개발하다 보면 아래 그림처럼 인터럽트라는 단어를 쉽게 접할 수 있다.

 

 

CPU가 수행 중인 작업은 방해를 받아 잠시 중단될 수 있는데, 이렇게 CPU의 작업을 방해하는 신호를 인터럽트라고 한다. 구체적으로 어떤 상황에서 인터럽트가 발생하는지 인터럽트의 종류를 통해 알아보겠다.

---

 

인터럽트의 종류에는 크게 동기 인터럽트와 비동기 인터럽트가 있다.

 

 

CPU가 명령어들을 수행하다가 예상치 못한 상황에 마주쳤을 때, 가령 CPU가 실행하는 프로그래밍상의 오류와 같은 예외적인 상황에 마주쳤을 때 발생하는 인터럽트이다. 이런 점에서 동기 인터럽트는 예외라고 부른다.

---

 

 

 

• CPU가 프린터와 같은 입출력장치에 입출력 작업을 부탁하면 작업을 끝낸 입출력장치가 CPU에 완료 알림(인터럽트)를 보낸다.

• 키보드, 마우스와 같은 입출력장치가 어떠한 입력을 받아들였을 때 이를 처리하기 위해 CPU에 입력 알림(인터럽트)을 보낸다.

일반적으로 비동기 인터럽트를 인터럽트라 칭하기도 한다. 

이번 절에서 중점적으로 학습할 인터럽트는 입출력 장치에 의해 발생하는 하드웨어 인터럽트이다.

---

 

 

 

 

하드웨어 인터럽트

 

하드웨어 인터럽트를 이용하면 CPU는 주기적으로 프린트 완료 여부를 확인할 필요가 없다. CPU는 프린터로부터 프린트 완료 인터럽트를 받을 때까지 다른 작업을 처리할 수 있다.

---

 

 

 

 

하드웨어 인터럽트 처리 순서

 

여기서 우리가 알아야 할 키워드는 이와 같다.

 

 

 

인터럽트는 CPU의 정상적인 실행 흐름을 끊는 것이기에 다른 누군가가 인터럽트 하기 전에는 "지금 끼어들어도 되나요?"하고 CPU에 물어봐야 한다.

 

 

이때 CPU가 인터럽트 요청을 수행하기 위해서는 플래그 레지스터의 인터럽트 플래그가 활성화되어 있어야 한다. 인터럽트 플래그는 하드웨어 인터럽트를 받아들일지, 무시할지를 결정하는 플래그이다. 

CPU가 중요한 작업을 처리해야 하거나 어떤 방해도 받지 않아야 할 때 인터럽트 플래그는 불가능으로 설정된다. 만약 인터럽트 플래그가 '불가능'으로 설정되어 있다면 CPU는 인터럽트 요청이 오더라도 해당 요청을 무시한다. 

 

다만 모든 하드웨어 인터럽트를 인터럽트 플래그로 막을 수 있는 것은 아니다. 인터럽트 플래그가 불가능으로 설정되어 있을지라도 무시할 수 없는 인터럽트 요청도 있다. 무시할 수 없는 하드웨어 인터럽트는 반드시 가장 먼저 치리해야 하는 인터럽트이다.

 

 

 

 

 

CPU가 인터럽트를 처리한다는 말은 인터럽트 서비스 루틴을 실행하고, 본래 수행하던 작업으로 다시 되돌아온다는 말과 같다.

 

 

 

만약 2번에서 인터럽트가 발생하면 인터럽트 서비스 루틴으로 돌아가고 다시 루틴을 실행한 후, 기존 작업으로 점프한다. 

인터럽트를 처리하는 방법은 일출력장치마다 다르므로 각기 다른 인터럽트 서비스 루틴을 가지고 있다. 즉, 메모리에는 위 그림처럼 여러 개의 인터럽트 서비스 루틴이 저장되어 있다. 이들 하나하나가 '인터럽트가 발생하면 어떻게 행동해야 할지를 알려주는 프로그램'이다.

 

CPU는 각기 다른 인터럽트 서비스 루틴을 구분할 수 있어야 한다. 

 

 

수많은 인터럽트 서비스 루틴을 구분하기 위해 인터럽트 벡터를 이용한다. 인터럽트 벡트를 인터럽트 서비스 루틴을 식별하기 위한 정보이다. 인터럽트 벡트를 알면 인터럽트 서비스 루틴의 시작 주소를 알 수 있기 때문에 CPU는 인터럽트 벡터를 통해 특정 인터럽트 서비스 루틴을 처음부터 실행할 수 있다.

 

 

인터럽트 서비스 루틴은 여러 프로그램과 마찬가지로 명령어와 데이터로 이루어져 있다. 그렇기에 인터럽트 서비스 루틴도 프로그램 카운터를 비롯한 레지스터들을 사용하며 실행된다.

그럼, 인터럽트가 발생하기 전까지 레지스터에 저장되어 있었던 값들은 어떻게 할까? 가령 다음 그림의 경우 CPU 프로그램 카운터에는 1500이 저장되어 있다. 이 CPU에 하드웨어 인터럽트가 발생하여 10번지에 있던 인터럽트 서비스 루틴을 실행해야 한다고 가정했을 때, 기존에 프로그램 카운터에 저장되어 있던 1500을 그냥 10으로 덮어써 버리면 될까?

안된다. 인터럽트 요청을 받기 전까지 CPU가 수행하고 있었던 일은 인터럽트 서비스 루틴이 끝나면 되돌아와서 마저 수행해야 하기 때문에 지금까지의 작업 내역들은 어딘가에 백업 해둬야 한다. 

그렇기에 CPU는 인터럽트 서비스 루틴을 실행하기 전에 프로그램 카운터 값 등 현재 프로그램을 재개하기 위해 필요한 모든 내용을 스택에 백업한다. 그리고 나서 인터럽트 서비스 루틴의 시작 주소가 위치한 곳으로 프로그램 카운터 값을 갱신하고 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.

 

인터럽트 서비스 루틴을 모두 실행하면, 다시 말해 인터럽트를 처리하고 나면 스택에 저장해 둔 값을 다시 불러온 뒤 이전까지 수행하던 작업을 재개한다.

 

 

CPU가 항상 명령어를 순차적으로만 실행하는 것은 아니며 인터럽트를 처리하는 과정이 추가된다는 것까지 배웠다. 

 

 

 

결국 CPU는 이와 같은 과정을 반복해 나가며 프로그램을 실행한다.

---

 

 

 

 

예외의 종류

예외를 조금 더 자세히 살펴보겠다. 예외의 조류에는 폴트, 트랩, 중단, 소프트웨어 인터럽트가 있다. 

 

예외가 발생하면 CPU는 하던 일을 중단하고 해당 예외를 처리한다. 예외를 처리하고 나면 CPU는 다시 본래 하던 작업으로 되돌아와 실행을 재개한다. 여기서 CPU가 본래 하던 작업으로 되돌아왔을 때 예외가 발생한 명령어부터 실행하느냐, 예외가 발생한 명령어의 다음 명령어부터 실행하느냐에 따라 폴트와 트랩으로 나뉜다.

폴트는 예외를 처리한 직후 예외가 발생한 명령어부터 실행을 재개하는 예외이다.

 

가령 CPU가 한 명령어를 실행하려 하는데, 이 명령어를 실행하기 위해 꼭 필요한 데이터가 메모리가 아닌 보조기억장치에 있다고 가정해 보자. 프로그랭이 실행되려만 반드시 메모리에 저장되어 있어야 하기에 CPU는 폴트를 발생시키고 보조기억장치로부터 필요한 데이터를 메모리로 가져와 저장한다.

보조기억장치로부터 필요한 데이터를 메모리로 가지고 왔으면 CPU는 다시 실행을 재개한다. 이때 CPU는 폴트가 발생한 그 명령어부터 실행한다. 이렇게 예외 발생 직후 예외가 발생한 명령어부터 실행해 나가는 예외를 폴트라고 한다.

 

트랩은 예외를 처리한 직후 예외가 발생한 명령어의 다음 명령어부터 실행을 재개하는 예외이다. 주로 디버깅할 때 사용한다.

디버깅을 할 때 특정 코드가 실행되는 순간 프로그램의 실행을 멈추게 할 수 있다. CPU에 '이 코드가 실행된 그 순간의 프로그램 상태를 보고 싶어. 그러니까 이 코드가 실행되는 순간 잠깐 실행을 멈춰!"라고 명령하는 것이다.

트랩을 처리하고 나면, 다시 말해 프로그램을 중단하고 디버깅이 끝나면 프로그램은 다음 명령어부터 실행을 이어나가면 된다. 이처럼 트랩은 예외가 발생한 명령어의 다음 명령어부터 실행을 재개하는 예외이다.

 

중단은 CPU가 실행 중인 프로그램을 강제로 중단시킬 수밖에 없는 심각한 오류를 발견했을 때 발생하는 예외이다. 소프트웨어 인터럽트는 시스템 호출이 발생했을 때나타난다.

---

 

 

 

 

단원 마무리하기

 

 

 

 

 

 

4번은 조금 헷갈렸는데 이 문제만 한번 더 정리해 보자. CPU로 가져온 명령어를 실행하는 단계는 실행 사이클이다.

---

 

 

 

학습을 마치고

명령어 사이클과 인터럽트에 대해서 배울 수 있었던 시간이었다. 이 단원도 만만치 않은 분량과 난도가 있었지만 그래도 잘 이해했다. 신기하게도 문제를 다 맞혔다. 

이제 다음 과정을 학습해도 되겠다. CPU도 공부할만하고 조금씩 이해가 되며 흥미도 생기는 것 같다.