[Computer Structure] CPU

중앙처리장치(CPU)

• CPU와 메모리는 IC(integrated Circuit)로 불리는 전자부품(마이크로 칩)
• 컴퓨터에서 가장 핵심적인 역할을 수행하는 부분. '인간의 두뇌'에 해당
• 연산장치, 제어장치, 레지스터 로 구성됨

 

• 연산 장치

  산술연산과 논리연산 수행 (=산술논리연산장치라고)
• 연산에 필요한 데이터를 레지스터에서 가져오고, 연산 결과를 다시 레지스터로 보냄

• 제어 장치(스케줄링을 제어하는 장치)

  명령어를 순서대로 실행할 수 있도록 제어하는 장치결과에 따라 명령어 실행에 필요한 제어 신호를 기억장치, 연산장치, 입출력장치로 보냄
• 또한 이들 장치가 보낸 신호를 받아, 다음에 수행할 동작을 결정함
• 주기억장치에서 프로그램 명령어를 꺼내 해독하고,

• 레지스터(기억 장치)

  CPU의 속도와 비슷한고속 기억장치.용도에 따라 범용 레지스터와 특수목적 레지스터로 구분.
  • 범용 레지스터 : 연산에 필요한 데이터나 연산 결과를 임시로 저장
  • 특수목적 레지스터 : 특별한 용도로 사용하는 레지스터
• 중앙처리장치 종류에 따라 사용할 수 있는 레지스터 개수와 크기가 다름
• 명령어 주소, 코드, 연산에 필요한 데이터, 연산 결과 등을 임시로 저장

 

특수 목적 레지스터 중 중요한 것들

• MAR(메모리 주소 레지스터) : 읽기와 쓰기 연산을 수행할 주기억장치의 주소 저장
• PC(프로그램 카운터) : 다음 수행할 명령어 주소 저장
• IR(명령어 레지스터) : 현재 실행 중인 명령어 저장
• MBR(메모리 버퍼 레지스터) : 주기억장치에서 읽어온 데이터 or 저장할 데이터 임시 저장
• AC(누산기) : 연산 결과 임시 저장

---

 

CPU의 동작 과정

1. 주기억장치는 입력장치에서 입력받은 데이터 또는 보조기억장치에 저장된 프로그램 읽어옴.
2. CPU는 프로그램을 실행하기 위해 주기억장치에 저장된 프로그램 명령어와 데이터를 읽어와 처리하고 결과를 다시 주기억장치에 저장함.
3. 주기억장치는 처리 결과를 보조기억장치에 저장하거나 출력장치로 보냄
4. 제어장치는 1~3 과정에서 명령어가 순서대로 실행되도록 각 장치를 제어

---

명령어 세트란?

• CPU가 실행할 명령어의 집합
• CPU에 따라 형식과 종류가 서로 다르다.

연산 코드(Operation Code) + 피연산자(Operand)로 이루어짐

연산 코드 : 실행할 연산(길이가 n비트일때 최대 2^n개 연산정의 가능)

피연산자 : 필요한 데이터 or 저장 위치

 

연산 코드는 연산, 제어, 데이터 전달, 입출력 기능을 가짐

- 연산 기능 : 사칙연산, 시프트, 보수 등의 산술연산과 논리곱, 논리합, 부정 등의 논리연산을 수행합니다.

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

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

- 입출력 기능 : 프로그램과 데이터를 주기억장치에 전달하고, 연산 결과는 출력장치로 전달합니다.

 

피연산자는 주소, 숫자/문자, 논리 데이터 등을 저장

- 주소 : 기억장치 혹은 레지스터의 주소가 저장됩니다.

- 숫자/문자 : 숫자는 정수, 고정 소수점 수, 부동 소수점 수 및 각각의 코드로 저장되고 문자는 아스키 코드로 저장됩니다.

- 논리 데이터 : 참 또는 거짓을 표현할 때 사용하며 비트나 플래그 등으로 저장됩니다.

 

CPU는 프로그램 실행하기 위해 주기억장치에서 명령어를 순차적으로 인출하여 해독하고 실행하는 과정을 반복함

CPU가 주기억장치에서 한번에 하나의 명령어를 인출하여 실행하는데 필요한 일련의 활동을 '명령어 사이클'이라고 말함

명령어 사이클은 인출/실행/간접/인터럽트 사이클로 나누어짐

주기억장치의 지정된 주소에서 하나의 명령어를 가져오고, 실행 사이클에서는 명령어를 실행함. 하나의 명령어 실행이 완료되면 그 다음 명령어에 대한 인출 사이클 시작

---

인출 사이클과 실행 사이클에 의한 명령어 처리 과정

인출 사이클에서 가장 중요한 부분은 PC(프로그램 카운터) 값 증가

• PC에 저장된 주소를 MAR로 전달
• 저장된 내용을 토대로 주기억장치의 해당 주소에서 명령어 인출
• 인출한 명령어를 MBR에 저장
• 다음 명령어를 인출하기 위해 PC 값 증가시킴
• 메모리 버퍼 레지스터(MBR)에 저장된 내용을 명령어 레지스터(IR)에 전달

 

# 인출 사이클의 마이크로 연산.
T0 : MAR ← PC
T1 : MBR ← M[MAR], PC ← PC+1
T2 : IR ← MBR

여기까지는 인출하기까지의 과정

---

인출한 이후, 명령어를 실행하는 과정

ADD addr 명령어 연산

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

이미 인출이 진행되고 명령어만 실행하면 되기 때문에 PC를 증가할 필요x

IR에 MBR의 값이 이미 저장된 상태를 의미함

따라서 AC에 MBR을 더해주기만 하면 됨

 

---

참조

안경잡이 개발자님 블로그 : https://ndb796.tistory.com/7

ucong97님 블로그 : https://ucong-9796.tistory.com/15