중앙처리장치(CPU)의 작동 원리

중앙처리장치 CPU

CPU는 컴퓨터에서 가장 핵심적인 역할을 수행하는 부분으로, 인간의 '두뇌'에 해당한다.

다양한 입력 장치로부터 정보를 입력받아 처리한 후, 그 결과를 출력 장치로 보내는 일련의 과정을 제어하고 조정한다.

크게 연산장치, 제어장치, 레지스터 3 가지로 구성되어 있다.

출처 : https://hongcoding.tistory.com/139

연산 장치(ALU, Arithmetic and Logical Unit)

산술연산 + 논리연산 = 산술논리연산장치
명령어를 실행하기 위한 마이크로 연산 수행

연산에 필요한 데이터를 레지스터에서 가져오고, 연산 결과를 다시 레지스터로 보낸다.
가산기, 보수기, 누산기, 데이터 레지스터 등으로 구성

제어 장치(CU, Control Unit)

컴퓨터 시스템 작동을 순차적으로 동작하도록 통제하고 지시하는 장치

주 기억장치에서 프로그램 명령어를 꺼내 해독하고, 그 결과에 따라 명령어 실행에 필요한 제어 신호를 기억장치, 연산장치, 입출력장치로 보낸다. 또한 이 장치들이 보낸 신호를 받아 다음 수행할 동작을 결정한다.
PC, 명령 해독기, 부호기, IR 등으로 구성

레지스터(Register)

쇼규모의 고속 기억장치
메모리 계층의 최상위에 위치하여 가장 빠르게 접근 가능한 메모리

명령어 주소, 코드, 연산에 필요한 데이터, 연산 결과 등을 임시로 저장한다.
중앙 처리 장치 종류에 따라서 사용할 수 있는 레지스터 개수와 크기가 다르다.
범용, 특수목적 레지스터

- 범용 레지스터 : 연산에 필요한 데이터나 연산 결과를 임시로 저장

- 특수 목적 레지스터 : 특별한 용도로 사용하는 레지스터

 주요 특수 목적 레지스터

- MAR (Memory Address Register) : 읽기와 쓰기 연산을 수행할 주기억장치 주소 저장

- PC(Program Counter) : 다음에 수행할 명령어 주소 저장

- IR(Instruction Register) : 현재 실행 중인 명령어 저장

- MBR(Memory Buffer Register) : 주기억장치에서 읽어온 데이터 또는 주기억장치에 저장할 데이터 임시 저장

- AC(누산기) : 연산 결과 임시 저장

- SP(Stack Pointer) : 스택의 최상위 주소 저장

- IX(Index Register) : 인덱스 주소 지정 방식에서 인덱스를 저장

- PSR(Program Status Register) : CPU의 현재 상태정보를 저장

 

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CPU의 동작 과정

출처 : https://hongcoding.tistory.com/139

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 보낸다.

4. 제어장치는 1-3 과정에서 명령어가 순서대로 실행되도록 강 장치를 제어한다.

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Instruction Set 명령어 세트

CPU가 실행할 명령어의 집합

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

- 연산 코드 : 실행할 연산(연산, 제어, 데이터 전달, 입출력)
- 피연산자 : 주소, 숫자/문자, 논리 데이터

 

연산코드(Operation Code)

실행하는 연산 종류에 따라 다음과 같이 네 가지 기능으로 나뉜다.

• 연산 기능
  • 산술연산: 사칙연산, 이동(shift), 보수
  • 논리연산: 논리곱, 논리합, 부정
• 제어 기능 : 조건 분기, 무조건 분기를 사용하여 명령어의 실행 순서 제어
• 데이터 전달 기능 : 레지스터 - 레지스터, 레지스터 - 주기억장치 사이에서 데이터 전달
• 입출력 기능 : 프로그램과 데이터를 주기억장치에 전달. 연산 결과는 출력장치에 전달

피연산자

• 주소 : 기억장치 혹은 레지스터의 주소 저장
• 숫자/문자
  • 숫자 : 정수, 고정 소수점, 부동 소수점, 각각의 코드
  • 문자 : 아스키코드
• 논리 데이터 : 비트나 플래그로 저장

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Instruction Cycle 명령어 사이클

CPU는 프로그램을 실행하기 위해 주기억장치에서 명령어를 순차적으로 인출하여 해독하고 실행하는 과정을 반복한다.

CPU가 주기억장치에서 한 번에 하나의 명령어를 인출하여 실행하는 데 필요한 일련의 활동을 '명령어 사이클'이라 한다.

 

1. Fetch(인출) : 메모리상의 PC가 가리키는 명령어를 CPU로 인출하여 적재

2. Decode(해석) : 명령어의 해석. 명령어의 종류와 타깃 등을 판단

3. Execute(실행) : 해석된 명령어에 따라 데이터에 대한 연산을 수행

4. Writeback(쓰기) : 명령어대로 처리 완료된 데이터를 메모리에 기록

인출 사이클과 실행 사이클은 항상 수행되지만 간접 사이클과 인터럽트 사이클은 주소 지정방식이 필요할 때나 인터럽트 요구가 있을 때만 수행된다.

 

 

명령어 인출

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1. MAR <- PC : 이제 실행할 명령어 주소를 메모리 주소 레지스터에 저장

2. MBR <- value(MAR) : 명령어 주소에서 명령어 가져옴

3. PC++ : 다음 실행할 명령어 주소로 증가

4. IR <- MBR : 가져온 명령어를 명령어 레지스터에 저장

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

 

 

명령어 실행

인출 사이클로부터 명령어를 인출한 후 명령어를 실행하는 과정인 실행 사이클 과정이다.

예시로 다음과 같은 ADD 연산을 보자

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1. IR의 내용을 MAR로 전달. 즉, 피연산자의 주소를 전달

2. MAR을 이용하여 기억장치에서 피연산자의 주소를 참조하여 피연산자의 값을 가져와 MBR에 저장

3. 누산기(AC)에 저장된 값에 MBR 값을 더해줌

ADD addr

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

 

 

 

 

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CPU의 구조와 원리