[운영체제] 2. 컴퓨터 시스템의 동작

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컴퓨터 시스템의 동작

컴퓨터 시스템으로 작업을 처리할 때는 다음과 같은 순서로 이루어지는데

1. 입력장치로 정보를 입력받아 메모리에 저장
2. 메모리에 저장한 정보를 프로그램 제어에 따라 인출 후 연산장치에서 처리
3. 처리한 정보를 출력 또는 보조기억장치에 저장

입력장치로부터 유입되는 정보는 데이터와 명령어로 분류된다.

명령어 : 실행할 산술, 논리 연산의 동작을 명시하는 문장으로 명령어의 집합은 프로그램이 된다.

명령어의 구조

명령어는 프로세서가 실행할 연산인 연산 부호와 명령어가 처리할 데이터, 데이터를 저장한 레지스터나 메모리 주소인 피연산자로 구분된다.

명령어 기본 구조

• 명연산 부호 (Operation Code): 연산을 지정하며 산술연산, 논리연산, 시프트, 보수 등을 수행

• 피연산자 (Operand): 연산할 데이터의 정보를 저장. Operrand의 갯수에 따라 1주소, 2주소, 3주소 명령어로 나뉜다.

 

명령어에 피연산자의 위치를 명시하는 방법에는 여러가지가 있다.

 

즉시 주소 지정 방식(Immediate Addressing Mode)

오퍼랜드의 값 자체가 실제 데이터값을 지정하는 방식으로 변수의 초기 값을 설정하거나 상수를 사용할 때 사용된다.
장점: 메모리 참조가 없으므로 처리 속도가 빠르다
단점: 오퍼랜드의 크기, 즉 자료 길이에 제한이 있다.

레지스터 주소 지정 방식(Register Addressing Mode)

직접주소 방식과 유사하며, 오퍼랜드 필드가 메인 메모리의 주소가 아닌 레지스터의 주소를 참조한다.
장점: 명령을 위한 주소 필드가 작아지며, 메모리를 참조하지 않는다
단점: 주소 공간의 제한이 있다.

직접 주소 지정 방식(Direct Addressing Mode)

주소필드가 오퍼랜드의 실제적인 주소를 포함하고 오퍼랜드가 직접 접근할 수 있는 주소를 가지고 있다.
장점: 명령어 형식이 간단하다
단점: 제한된 주소 공간을 제공하므로 효율성이 없다.

 

계산에 의한 주소 지정

 

• 레지스터 간접 주소 지정 방식
• 인덱스 주소 지정 방식
• 베이스 레지스터 주소 지정 방식 추가 요망
• 상대 주소 지정 방식

 

간접 주소 지정 방식(Indirect Addressing Mode)

명령어의 실행

 

명령어는 명령어 인출 -> 명령어 해석 -> 피연산자 인출 -> 명령어 실행 -> 결과 저장의 과정을 거친다.

프로세서의 제어장치가 명령어를 실행하며 이 과정을 명령어 인출-해석-실행사이클이라고 한다.

 

각 사이클을 보자

 

인출 사이클

메모리로부터 명령어를 읽어 레지스터에 저장 -> 다음 명령어를 실행하기 위해 PC값 증가

• 1: PC -> MAR

  PC에 저장된 주소를 프로세서 내부 버스를 통하여 MAR에 전달.

• 2: Memory^MAR^ -> MBR

  MAR에 저장된 주소에 해당하는 메모리 위치에서 명령어를 인출한 수 MBR에 저장

• 3: PC + 1 -> PC

  다음 명령어를 인출하기 위해 PC값 증가

• 4: MBR -> IR

  MBR에 저장된 내용을 IR에 저장

 

간접 사이클

위의 인출 사이클 4번에 해당하는 MBR -> IR에서 인출한 명령어를 해독하고 그 결과에 따라 제어신호발생
직접 주소 지정 방식에서는 실행사이클의 명령어를 즉시 실행하지만 간접 주소 지정 명령어 에서는 명령어를 수행하기 전에 실제 데이터가 저장된 유효 주소를 한 번 더 읽어 온다

• 1: IR^addr^ -> MAR

  IR에 저장된 명령어의 주소부(피연산자)를 MAR에 전달.

• 2: Memory^MAR^ -> MBR

  MAR에 저장된 주소에 해당하는 메모리 위치에서 데이터를 인출한 후 데이터를 MBR에 저장, 제어장치는 메모리에 제어신호 발생

• 3: MBR -> IR^addr^

  MBR에 저장된 내용을 IR에 전달.

 

실행 사이클

명령어를 해독하고 그 결과에 따라 제어신호를 발생한다.

 

인터럽트 사이클

인터럽트란? 프로세서가 프로그램을 실행하는 동안 컴퓨터 시스탬 내부, 외부에서 발생하는 예기치 못 한 사건을 의미한다.

프로세서는 실행 사이클이 완료된다면 인터럽트의 요구가 있는지 검사하고 요구가 없으면 다음 명령어를 인출하며 요구가 있으면 다음과 같은 과정을 수행한다.

• 1: PC -> MBR\

  PC에 저장된 내용을 MBR에 저장한다.

• 2: IntRoutine_Address -> PC

  인터럽트 루틴 주소를 PC에 저장한다.

• 3: Save_Address -> MAR

  PC에 저장된 인터럽트 루틴 주소를 MAR에 저장

• 4: MBR -> Memory^MAR^

  MBR의 주소에 있는 내용을 지시된 메모리 셀로 이동한다.

 

인터럽트 명령어

인터럽트 실행 사이클에서 인터럽트 명령어의 요청이 있는지를 확인하는 단계에서 인터럽트 명령어를 확인하고 그 인터럽트 사이클을 수행한다.

 

인터럽트는 시스템의 처리 효율을 향상시키며 다중 프로그래밍을 가능하게 한다.

 

프로세스가 인터럽트를 수행하기 위해서 각 장치들의 상태를 파악해야 하는데, 이 상태를 비트로 표현하고 폴링(Polling)으로 각 장치의 상태 비트를 검사한다.

 

상태 비트를 검사하고난 뒤 입출력장치가 준비 상태가 되었을 때 프로세서에 인터럽트 신호를 보낸다.

 

인터럽트 요청 회선(IRQ: Interrupte ReQeuset line)

인터럽트를 처리하는데 쓰이는 버스의 일종으로 인터럽트의 신호가 왔다갔다 한다.
IRQ는 단일 회선과 다중 회선으로 나뉜다.

• 단일 회선 : 인터럽트 요청이 가능한 모든 장치를 공통의 단일 회선으로 프로세서에 연결하는 방법.

• 다중 회선 : 모든 장치를 서로 다른 고유 회선으로 프로세서와 연결

 

인터럽트 요청 신호가 발생하면 대부분의 컴퓨터는 정보를 단일 명령어로 저장할 수 있으므로 실행중인 프로그램을 메모리에 저장하고 인터럽트 처리 프로그램으로 분기한다.

 

그리고 처리를 완료하면 인터럽트를 발생시킨 프로그램에 제어를 넘겨준다.