[컴퓨터 구조] 명령어 사이클과 인터럽트

이 글은 혼자 공부하는 컴퓨터 구조 + 운영체제 (저자 : 강민철)의 책과 유튜브 영상을 참고하여 개인적으로 정리하는 글임을 알립니다.

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CPU는 명령어를 처리하는 과정에는 정해진 흐름이 있고, CPU는 그 흐름을 반복하여 명령어들을 처리해 나간다.

명령어를 정형화된 흐름으로 처리하는 것을 명령어 사이클이라고 한다.

CPU는 명령어 사이클을 통해 작업을 처리해 나가는데, 이 흐름을 끊어지게 하는 상황이 발생하는데 이것을 인터럽트라고 한다.

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명령어 사이클

CPU가 메모리에 저장된 명령어 하나를 실행한다고 하면, 가장 먼저 해야 할 일은 명령어를 CPU로 가져와야 한다.

명령어를 가져왔으면 명령어를 실행해야 한다. 이것을 실행 사이클이라고 한다.

• 인출 사이클 : 메모리에 있는 명령어를 가져오는 단계
• 실행 사이클 : CPU로 가져온 명령어를 실행하는 단계

프로그램을 이루는 수많은 명령어는 일반적으로 인출과 실행 사이클을 반복하며 실행된다.

하지만 모든 명령어가 이렇게 간단하게 실행되는 것은 아니다.

 

CPU가 메모리에서 한 번에 명령어를 가져올 수도 있지만, 간접 주소 지정 방식과 같은 경우로 메모리에 명령어가 저장되어 있다면 한 번 더 메모리 접근을 해야 한다. 이를 간접 사이클이라고 한다.

• 간접 사이클 : 메모리 접근이 더 필요한 단계

 

명령어 사이클은 또 하나 고려해야 하는 것이 있다. 그것은 인터럽트 사이클이다.

인터럽트는 말그대로 방해이다. 즉, CPU의 작업을 방해하는 것이다.

인터럽트는 CPU가 꼭 주목해야할 때, CPU가 빨리 처리해야할 다른 작업이 생겼을 때 발생한다.

CPU는 인터럽트를 처리하고 작업을 다시 할지, 인터럽트를 무시하고 작업을 먼저 처리할지 결정하게 된다. 이러한 경우를 인터럽트 사이클이라고 한다.

• 인터럽트 사이클 : 인터럽트를 처리하는 단계

 

지금까지의 명령어 사이클을 도식화하면 아래와 같다.

https://velog.io/@mrcocoball

 

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인터럽트

인터럽트는 CPU가 수행중인 작업을 방해하는 신호이다.

인터럽트는 동기 인터럽트와 비동기 인터럽트로 나뉜다.

• 동기 인터럽트 (예외)
• 비동기 인터럽트 (하드웨어 인터럽트)

 

동기 인터럽트

CPU에 의해 발생하는 인터럽트로 CPU가 명령어들을 수행하다가 예상치 못한 상황에 마주쳤을 때 발생하는 인터럽트이다.

프로그래밍상의 오류와 같은 예외적인 상황에 마주쳤을 때 발생하는 인터럽트가 동기인터럽트이다.

이러한 점으로 동기 인터럽트는 예외라고 부른다.

 

비동기 인터럽트

주로 하드웨어에서 발생하는 인터럽트로 입출력 장치가 CPU가 내린 명령들이 어떻게 처리되었다고 알려주는 신호이다.

예를 들어, CPU가 프린터기에 문서를 출력하라고 명령했다면, 프린터기는 출력을 완료하면 CPU에 비동기 인터럽트를 보낸다.

비동기 인터럽트가 없다면, CPU는 자신이 내린 명령들이 처리가 되었는지 수시로 확인해야 한다. 이러한 수고를 덜어주는 것이 비동기 인터럽트이다.

 

비동기 인터럽트는 막을 수 있는 인터럽트와 막을 수 없는 인터럽트로 나뉜다.

• 막을 수 없는 인터럽트 : 반드시 가장 먼저 처리해야하는 인터럽트 (하드웨어 고장, 정전 등)
• 막을 수 있는 인터럽트 : 나중에 처리해도 되는 인터럽트

 

인터럽트는 CPU의 흐름을 끊는 것이기 때문에 CPU에게 지금 흐름을 끊어도 되는지 물어보게 된다. 이를 인터럽트 요청신호라고 한다.

CPU가 인터럽트 요청을 수용하기 위해서는 플래그 레지스터의 인터럽트 플래그가 활성화되어 있어야 한다.

인터럽트 플래그가 비활성화되어 있으면 해당 인터럽트 처리는 무시한다.

반대로 인터럽트 플래그가 활성화 되어있으면 인터럽트를 처리하게 된다.

하지만 인터럽트 플래그가 비활성화 되어있더라도 막을 수 없는 인터럽트는 무시할 수 없기 때문에 이를 CPU는 가장 먼저 처리하게 된다.

 

동기 인터럽트(예외)의 종류
예외가 발생하면 CPU는 하던 일을 중단하고 해당 예외를 처리한다. 예외를 처리하고 나면 다시 원래 하던 작업을 재개한다. 여기서 원래 작업으로 돌아왔을 때, 수행할 명령어의 시점과 위치에 따라 예외의 종류가 달라진다.

폴트(fault) : 예외를 처리한 직후 예외가 발생한 명령어부터 실행을 재개
트랩(trap) : 예외 처리 직후 예외가 발생한 명령어의 다음 명령어부터 실행을 재개 (디버깅 시 사용)
중단(abort) : CPU가 실행 중인 프로그램을 강제로 중단시킬 수 밖에 없는 심각한 오류를 발견했을 때 발생하는 예외
소프트웨어 인터럽트(software interrupt) : 시스템 호출이 발생했을 때 나타나는 예외

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비동기 인터럽트 처리 과정

CPU가 인터럽트 요청을 받아들이기로 했다면 CPU는 인터럽트 서비스 루틴(인터럽트 핸들러)이라는 프로그램을 실행한다.

• 인터럽트 서비스 루틴 : 어떤 장치가 어떤 인터럽트를 보냈을 때 행동 방침

CPU가 인터럽트를 처리한다는 말은 인터럽트 서비스 루틴을 실행하고, 원래 수행하던 작업으로 돌아온다는 뜻이다.

CPU는 각기 다른 인터럽트 서비스 루틴을 구분할 수 있어야 한다. 이를 위해 CPU는 인터럽트 벡터를 사용한다.

• 인터럽트 벡터 : CPU가 인터럽트 서비스 루틴을 식별하기 위한 정보(인터럽트 서비스 루틴의 메모리 시작 주소)

CPU는 하드웨어 인터럽트 요청을 보낸 대상으로부터 데이터 버스를 통해 인터럽트 벡터를 전달받는다.

 

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

인터럽트가 발생하기 전의 레지스터에 저장되어 있었던 값들은 아래의 과정을 거치게 된다.

1. 현재 작업을 스택 영역에 백업한다.
2. 인터럽트 서비스 루틴의 시작 주소가 위치한 곳으로 프로그램 카운터 값을 갱신한다.
3. 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.
4. 스택에 저장해던 값을 불러온 후 원래 하던 작업을 마저 한다.

 

위의 내용을 바탕으로 비동기 인터럽트 처리 순서는 아래와 같다.

1. 입출력장치는 CPU에 인터럽트 요청 신호를 보낸다.
2. CPU는 실행 사이클이 끝나고 명령어를 인출하기 전 항상 인터럽트 여부를 확인한다.
3. 인터럽트 요청을 확인하고 인터럽트 플래그를 통해 현재 인터럽트를 받아들일 수 있는지 판단
4. 인터럽트를 받아들일 수 있다면 지금까지의 작업을 백업한다.
5. 인터럽트 벡터를 참조하여 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.
6. 인터럽트 서비스 루틴을 실행하면 기존에 하던 작업을 재개한다.

위 그림에 있는 순서와 그림 이전에 설명한 순서와는 무관

 

이러한 과정으로 명령어 사이클의 인터럽트 사이클을 수행하게 된다.