Computer Architecture - 중앙처리장치(CPU)의 작동 원리

중앙처리장치(CPU)

중앙처리장치란?

ㆍ CPU는 컴퓨터에서 가장 핵심적인 역할을 수행하며, 인간의 두뇌에 해당한다.

ㆍ 크게 연산장치, 제어장치, 레지스터 3가지로 구성된다.

 

연산 장치

ㆍ 산술 연산과 논리 연산을 수행하며, 산술 논리 연산장치라고도 불린다.

ㆍ 연산에 필요한 데이터를 레지스터에서 가져오고, 연산 결과를 다시 레지스터로 보낸다.

 

제어 장치

ㆍ 명령어를 순서대로 실행할 수 있도록 제어하는 장치이다.

ㆍ 주기억장치에서 프로그램 명령어를 꺼내 해독하고, 그 결과에 따라 명령어 실행에 필요한 제어 신호를 기억장치, 연산장치, 입출력 장치로 보내는 역할을 한다.

ㆍ 또한, 이들 장치가 보낸 신호를 받아 다음에 수행할 동작을 결정한다.

 

레지스터

ㆍ 명령어 주소, 코드, 연산에 필요한 데이터 및 연산 결과 등을 임시로 저장하는 고속 기억장치이다.

ㆍ 용도에 따라 범용 레지스터와 특수목적 레지스터로 구분된다.

ㆍ 중앙처리장치의 종류에 따라 사용할 수 있는 레지스터의 개수와 크기가 다르다.

 

    1. 범용 레지스터 : 연산에 필요한 데이터나 연산 결과를 임시로 저장

    2. 특수목적 레지스터 : 특별한 용도로 사용하는 레지스터이며, 용도와 기능에 따라 구분

        2-1. 메모리 주소 레지스터(MAR) : 읽기와 쓰기 연산을 수행할 주기억장치의 주소 저장

        2-2. 프로그램 카운터(PC) : 다음에 수행할 명령어의 주소를 저장

        2-3. 명령어 레지스터(IR) : 현재 실행 중인 명령어를 저장

        2-4. 메모리 버퍼 레지스터(MBR) : 주기억장치에서 읽어온 데이터나 저장할 데이터를 임시 저장

        2-5. 누산기(AC) : 연산 결과를 임시로 저장

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CPU의 동작 과정

1. 주기억장치는 입력장치에서 입력받은 데이터 또는 보조기억장치에 저장된 프로그램을 읽어온다.

2. CPU는 프로그램을 실행하기 위해 주기억장치에 저장된 프로그램 명령어와 데이터를 읽어와 처리하고 결과를 다시 주기억장치에 저장한다.

3. 주기억장치는 처리 결과를 보조기억장치에 저장하거나 출력장치로 전송한다.

4. 제어장치는 1~3번 과정에서 명령어가 순서대로 실행되도록 각 장치를 제어한다.

 

명령어 세트

 

ㆍ 명령어 세트는 CPU가 실행할 명령어의 집합으로서 CPU에 형식과 종류에 따라 서로 다르다.

ㆍ 명령어는 실행할 연산을 나타내는 연산 코드(Operation Code)와 연산에 필요한 데이터나 데이터의 저장 위치를 나타내는 피연산자(Operand)로 구성된다.

 

ㆍ 연산 코드는 길이가 n비트일 때 최대 2^n개의 연산을 정의할 수 있다. 예를 들어, 연산 코드의 길이가 4비트이며 최대 16가지의 연산을 정의할 수 있게 된다.

ㆍ 연산 코드는 실행하는 연산의 종류에 따라 네 가지 기능으로 분류된다.

 

    1. 연산 기능 : 사칙연산, 시프트, 보수 등의 산술 연산과 논리곱, 논리합, 부정 등의 논리 연산을 수행

    2. 제어 기능 : 조건 분기와 무조건 분기 등을 사용하여 명령어의 실행 순서를 제어

    3. 데이터 전달 기능 : 레지스터와 레지스터 사이, 레지스터와 주기억장치 사이에서 데이터를 전달

    4. 입출력 기능 : 프로그램과 데이터를 주기억장치에 전달하고, 연산 결과는 출력장치로 전달

 

ㆍ 피연산자는 주소, 숫자, 문자, 논리 데이터 등을 저장할 수 있다.

 

    1. 주소 : 기억장치 혹은 레지스터의 주소가 저장된다.

    2. 숫자/문자 : 숫자는 정수, 고정 소수점 수, 부동 소수점 수 및 각각의 코드로 저장되고 문자는 아스키코드로 저장된다.

    3. 논리 데이터 : 참 또는 거짓을 표현할 때 사용하며, 비트나 플래그 등으로 저장된다.

 

ㆍ 중앙처리장치는 프로그램을 실행하기 위해 주기억장치에서 명령어를 순차적으로 인출하여 해독하고 실행하는 과정을 반복한다. 중앙처리장치가 주기억장치에서 한 번에 하나의 명령어를 인출하여 실행하는 게 필요한 일련의 활동을 '명령어 사이클(Instruction Cycle)'이라고 말한다.

ㆍ 명령어 사이클은 인출 사이클과 실행 사이클로 나뉜다. 주기억장치의 지정된 주소에서 하나의 명령어를 가져오고, 실행 사이클에서는 명령어를 실행한다. 하나의 명령어 실행이 완료되면, 그다음 명령어에 대한 인출 사이클이 시작된다.

 

인출 사이클과 실행 사이클에 의한 명령어 처리 과정

T0 : MAR <- PC
T1 : MBR <- M[MAR], PC <- PC+1
T2 : IR <- MBR

1. PC에 저장된 주소를 MAR로 전달

2. 저장된 내용을 토대로 주기억장치의 해당 주소에서 명령어 인출

3. 인출한 명령어를 MBR에 저장

4. 다음 명령어를 인출하기 위해 PC 값 증가시킴

5. 메모리 버퍼 레지스터(MBR)에 저장된 내용을 명령어 레지스터(IR)에 전달

 

인출한 이후, 명령어를 시행하는 과정

T0 : MAR <- IR(Addr)
T1 : MBR <- M[MAR]
T2 : AC <- AC + MBR

ㆍ 이미 인출이 진행되고 명령어만 실행하면 되기 때문에 PC를 증가할 필요가 없다.

ㆍ IR에 MBR의 값이 이미 저장된 상태를 의미한다. 따라서, AC에 MBR을 더해주기만 하면 된다.