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About CPU

CPU : Central Processing Unit 중앙 처리 장치 컴퓨터가 사용되는 그 어떤 것(타블렛, TV, 노트북, 냉장고, 디지털 카메라 etc)이든 CPU를 가지고 있다. CPU는 컴퓨터의 정중앙(center)에서 기계어로 컴파일 된 명령어들을 해석하여 프로그램을 실행(processing)하는 장치(unit)이다. 명령어를 실행하기에 프로세서(processor)라고 부르기도 한다.

우선 CPU는 어떻게 이루어져 있는지 알아보도록 하자.

CPU Architecture

CPU Architecture


CPU는 ALU, Register and Control Unit, Bus 로 이루어져 있다.

ALU (Arithmetic and Logical Unit) : 산술논리 연산장치

연산의 종류
  1. 산술
    2. 기본적인 산술 연산으로써 + , - , * , /, % 등이 있다.
  2. 논리
    3. 참 또는 거짓의 결과값을 리턴할 AND, OR , NOT, NAND, XOR 등이 있다.
  3. 데이터
    4. 데이터 전송에 관련된 연산을 의미한다.
    레지스터 ←→ 레지스터 | 레지스터 ←→ 기억장치 | 기억장치 ←→ 기억장치
  4. 입출력
    5. CPU와 외부 장치들간의 데이터 이동을 위한 연산
  5. 프로그램 제어
    6. 명령어 실행 순서를 변경하는 연산
    분기(Branch) | 서브루틴(Subroutine call) 호출

연산 장치의 종류

  • 누산기 ACC
    • 연산 결과를 임시로 기억한다.
  • 가산기 Adder
    • 2진수들의 더하기를 수행한다.
  • 보수기 Complement
    • 2진수들의 더하기를 수행한다.
  • 데이터 레지스터 Data Register
    • 연산에 필요한 자료를 보관하는 레지스터이다.
  • 프로그램 상태 레지스터 PSWR (Program Status Word Register)
    • 플래그 레지스터 Flag Register, 상태 레지스터 Status Register 라고도 한다.

Register set: 레지스터 세트

* 레지스터에 관한 자세한 내용은 추후 업로드 될 "레지스터" 포스트에서 알아보도록 하자

CPU안에는 다양한 레지스터들로 이루어져 있다. 이를 레지스터 세트라고 한다. 레지스터는 타 메모리에 비해 속도가 제일 빠른데 그 이유는 다른 기억장치들보다 CPU와 가장 인접해 있기 때문이다. 레지스터는 CPU의 수행 능력을 올려준다. 레지스터의 종류는 PC, AR, IR, MAR, MBR이 있다.

  1. PC : Program Counter
    2. 다음턴에 어느 명령어를 가져와 실행해야 하는지에 관한 주소를 기억하고 있는 레지스터. CPU에게 실행해야 하는 시작점을 알려준다.
  2. AC : Accumulator
    3. 데이터를 일시적으로 저장하는 레지스터
  3. IR : Instruction Register
    4. 가장 최근에 인출된 명령어 코드가 무엇인지를 기억하고 있는 레지스터. 현재 실행 중인 명령을 기억한다.
  4. MAR : Memory Address Register
    5. PC에 저장된 명령어 주소가 시스템 주소 버스로 출력되기 전에 일시적으로 저장되는 주소 레지스터
  5. MBR : Memory Buffer Register
    6. 기억장치에 쓰일 데이터나 기억장치로부터 읽혀진 데이터를 일시적으로 저장하는 레지스터

CU (Control Unit) : 제어 장치

컴퓨터의 모든 장치들의 제어를 담당한다. 메모리에 올려진 프로그램의 명령을 꺼내 해석하여 각각의 장치에 지시를 내린다.

BUS : 버스

데이터들은 버스를 통해 전송된다. CPU나 메모리, 입출력 장치간의 필요한 정보들을 전송하기 위해 사용되는 전기적 통로이다.

종류

  • 주소 버스 (Address Bus)
    • 기기의 주소를 지정할 때 사용하는 버스이다. 한 가지 방향으로만 데이터를 전송하기에 단반향 버스(Unidirection Bus)라 불린다. 특정 메모리 주소를 찾을때 사용된다.
  • 데이터 버스 (Data Bus)
    • 기기에 데이터를 전달하는 버스이다. 양방향 버스로써 CPU가 메모리나 I/O 기기에 데이터를 전송한다.
  • 제어 버스 (Control Bus)
    • 현재 상태의 변경이나 데이터 전송 제어 신호를 전달하는 버스이다. CPU가 현재 상태나 상태 변경을 메모리 또는 I/O 기기에 제어 신호로 알릴때 사용된다.

CPU의 명령어 실행

CPU의 목적은 프로그램을 실행하기 위함이라 할 수 있다. 프로그램이 실행되기까지의 과정을 자세히 알아보도록 하자.
실행될 프로그램이 메인 메모리에 올려진다. 이 과정을 process라고 한다. CPU는 메인 메모리에 들어간 프로그램(프로그램은 결국 수 많은 명령어들의 덩어리)을 실행한다.

  1. Fetch
    2. 메모리에서 데이터를 가져와 CPU의 register에 적재하는 과정을 말한다.
  2. Indirect
    3. 메모리를 참조할 때 간접주소 방식을 사용하는 경우에 실행된다.
  3. Execution
    4. 불러온 데이터와 명령으로 중앙처리장치가 연산을 수행하는 단계를 말한다.
  4. Interrupt
    5. 만약 프로그램 실행 중에 예외적인 상황이 발생할 경우에 실행된다.

Reference

Published 12 Aug 2019

Developer Blog By. Baby Tiger