Interrupt

컴퓨터 구조와 운영체제

CPU 작동 원리 - 명령어 사이클과 인터럽트

• 명령어 사이클 : 하나의 명령어를 처리하는 정형화된 흐름

• 인터럽트 : 정해진 흐름에 따라 명령어를 처리하다가 흐름이 끊어지는 상황

명령어 사이클

• 프로그램 속 각각의 명령어들은 일정한 주기가 반복되며 실행되는데 이 주기를 명령어 사이클 이라고 한다.

• 프로그램 속 각가의 명령어들은 명령어 사이클이 반복되며 실행된다.

인출 사이클

메모리에 있는 명령어를 CPU로 가져오는 단계

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실행 사이클

• CPU로 가져온 명령어를 실행하는 단계

• 제어장치가 명령어 레지스터에 담긴 값을 해석하고, 제어 신호를 발생시키는 단계

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일반적으로 명령어는 인출과 실행 사이클을 반복하며 실행된다.

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• 하지만 모든 명령어가 이렇게 간단히 실행되지는 않는다. 명령어를 인출하여 CPU로 가져와도 곧바로 실행할 수 없는 경우도 있다.

• 예를 들어 간접 주소 지정 방식의 경우 오퍼랜드 필드에 유효 주소의 주소를 명시하므로, 명령어를 실행하기 위해서는 메모리 접근을 한 번 더 해야 한다.

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간접 사이클

이 단계를 간접 사이클이라고 한다.

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인터럽트

• CPU의 작업을 방해하는 신호를 인터럽트라고 한다.

• 인터럽트의 종류에는 크게 동기 인터럽트와 비동기 인터럽트가 있다.

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• 동기 인터럽트

  • CPU에 의해 발생하는 인터럽트

  • CPU가 명령어들을 수행하다가 예외적인 상황에 마주쳤을 때 발생하는 인터럽트로, 이런 점에서 예외라고 부른다.

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• 비동기 인터럽트

  • 주로 입출력장치에 의해 발생하는 인터럽트

  • 입출력장치에 의한 비동기 인터럽트는 알림 역할을 한다.

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하드웨어 인터럽트 (비동기 인터럽트)

• 하드웨어 인터럽트는 알림과 같은 인터럽트이다.

• CPU는 입출력 작업 도중에도 효율적으로 명령어를 처리하기 위해 이런 알림과 같은 하드웨어 인터럽트를 사용한다.

하드웨어 인터럽트 처리 순서

1. 입출력장치는 CPU에 인터럽트 요청 신호를 보낸다.

   • 인터럽트는 CPU의 정상적인 실행 흐름을 끊는 것이기 때문에 인터럽트하기 전에는 요청 신호를 보내야 한다.

2. CPU는 실행 사이클이 끝나고 명령어를 인출하기 전 항상 인터럽트 여부를 확인한다.

3. CPU는 인터럽트 요청을 확인하고 인터럽트 플래그를 통해 현재 인터럽트를 받아들일 수 있는지 여부를 확인한다.

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

   • 인터럽트 플래그는 말 그대로 하드웨어 인터럽트를 받아들일지, 무시할지 결정하는 플래그이다.

   • 하지만 인터럽트 플래그가 불가능으로 설정되더라도 무시할 수 없는 인터럽트 요청(정전, 하드웨어 고장 등)도 있기 때문에 모든 하드웨어 인터럽트를 인터럽트 플래그로 막을 수 있는 것은 아니다.

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1. 인터럽트를 받아들일 수 있다면 CPU는 지금까지의 작업을 백업한다.(스택 영역에)

2. CPU는 인터럽트 벡터를 참조하여 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.

   • 인터럽트 서비스 루틴은 인터럽트가 발생했을 때 해당 인터럽트를 어떻게 처리하고 작동해야 할지에 대한 정보로 이루어진 프로그램이다.

     • 인터럽트 서비스 루틴도 프로그램이기 때문에 메모리에 저장된다.

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• 인터럽트를 처리하는 방법은 입출력장치마다 다르므로 각기 다른 인터럽트 서비스 루틴을 가지고 있다.

• CPU는 수많은 인터럽트 서비스 루틴을 구분하기 위해 인터럽트 벡터를 사용한다. 인터럽트 벡터는 인터럽트 서비스 루틴을 식별하기 위한 정보로, 인터럽트 벡터를 알면 인터럽트 서비스 루틴의 시작 주소를 알 수 있다.

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정리 : CPU가 인터럽트를 처리한다는 것은 인터럽트 서비스 루틴을 실행하고, 본래 수행하던 작업으로 다시 되돌아온다는 것과 같다. 그리고 CPU가 인터럽트 서비스 루틴을 실행하려면 인터럽트 서비스 루틴의 시작 주소를 알아야 하는데, 이는 인터럽트 벡터를 통해 알 수 있다.

1. 인터럽트 서비스 루틴 실행이 끝나면 4에서 백업해 둔 작업을 복구하여 실행을 재개한다.

CPU 명령어 사이클에 인터럽트 사이클까지 추가한 결과 다음과 같아진다. CPU는 이와 같은 과정을 반복해 나가며 프로그램을 실행한다고 볼 수 있다.

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