4-3] CPU의 작동원리: 명령어 사이클과 인터럽트

1] 명령어 사이클: 프로그램 속 명령어들은 일정한 주기가 반복되며 실행되는데 이 주기를 명령어 사이클이라고 함

1. 인출 사이클: 가장 먼저 CPU로 갖고 와야 한다

2. 간접 사이클: 메모리 접근이 필요한 경우에 간접 사이클이 실행된다

3. 실행 사이클: 갖고 왔으면 실행해야 한다

 

2] 인터럽트

(1) 인터럽트 개념

인출 > (간접) > 실행을 하는 일반적인 명령어 사이클 중에

인터럽트가 발생하면 명령어 사이클이 끊기게 된다

그렇게 된다면, 인출 사이클 > (간접 사이클)  > 실행 사이클 > (인터럽트 사이클)의 방식으로 동작한다

 

(2) 인터럽트의 종류

1. 동기 인터럽트(예외) - 폴트, 트랩, 중단, 소프트웨어 인터럽트

: CPU가 예기치 못한 상황을 접했을 때 발생 ex. 하드웨어 고장, 정전...

 

2. 비동기 인터럽트(하드웨어 인터럽트)

: 주로 입출력 장치에 의해 발생, 알림(세탁기, 전자레인지의 알림)과 같은 역할

 

(3) 왜 비동기 인터럽트가 필요한가?

입출력 작업 도중에도 효율적으로 명령어를 처리하기 위해 하드웨어 인터럽트가 사용됨

입출력장치는 CPU에 비해 느리기 때문에

인터럽트가 없다면 CPU는 프린트 완료 여루블 확인하기 위해 주기적으로 확인해야 한다

반면, 인터럽트가 있다면 입출력 작업 동안 CPU는 다른 일을 할 수 있다

 

(4) 하드웨어 인터럽트의 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 작업(기존 레지스터 값들)을 스택에 백업합니다

5. CPU는 인터럽트 벡터를 참조하여 인터럽트 서비스 루틴을 실행합니다

6. 인터럽트 서비스 루틴 실행이 끝나면 4. 에서 백업해 둔 작업을 복구하여 실행을 재개합니다

 

용어정리)

인터럽트 요청 신호:

입출력장치가 인터럽트를 하기 위해 요청을 보내는 신호

 

인터럽트 플래그:

CPU가 인터럽트 요청 신호를 받아들이면, 실행사이클이 끝나고 항상 플래그 레지스터 중 인터럽트 플래그를 확인하게 되는데 현재 인터럽트를 받아들일 수 있는지를 0과 1로 담고 있다

다만, 모든 인터럽트를 인터럽트 플래그로 막을 수 있는 건 아니며 긴급하거나 중요한 동기 인터럽트는 막을 수 없음

이처럼 인터럽트 플래그로 막을 수 없는 인터럽트를 NMI(Non-maskable Interrupt)라고 부름

따라서, 비동기 인터럽트(하드웨어 인터럽트)는 막을 수 있는 인터럽트와 막을 수 없는 인터럽트로 구분된다

 

인터럽트 서비스 루틴:

인터럽트가 발생했을 때 해당 인터럽트를 어떻게 처리하기 위한 프로그램

 

인터럽트 벡터:

각각의 인터럽트를 구분하기 위한 정보이며, 인터럽트 벡터를 통해 서비스 루틴의 시작점을 알 수 있다

또한, 인터럽트 벡터를 표의 형태로 모아놓을 것을 인터럽트 벡터 테이블이라고 부름