[Computer Architecture] 중앙처리장치(CPU) 작동 원리

Abstract

CPU는 컴퓨터에서 가장 핵심적인 역할을 수행하는 부분이다.

CPU 구성요소

연산 장치

산술 연산과 논리 연산을 수행한다.
연산에 필요한 데이터를 레지스터에서 가져오고, 연산 결과를 다시 레지스터로 보낸다.

제어 장치

명령어를 순서대로 실행할 수 있도록 제어한다.
주기억장치에서 프로그램 명령어를 꺼내 해독하고, 그 결과에 따라 명령어 실행에 필요한 제어 신호를 기억장치, 연산장치, 입출력 장치로 보낸다.
장치가 보낸 신호를 받아 다음 수행 동작을 결정한다.

레지스터

고속기억장치로 명령어 주소, 코드, 연산에 필요한 데이터, 연산 결과 등을 임시로 저장한다.
중앙처리장치 종류에 따라 사용할 수 있는 레지스터 개수와 크기가 다르다.
용도에 따라 범용 레지스터와 특수목적 레지스터로 구분된다.
범용 레지스터 : 연산에 필요한 데이터나 연산 결과를 임시로 저장한다.
특수목적 레지스터 : 특별한 용도로 사용하는 레지스터이다.

특수 목적 레지스터 중 중요한 것

• MAR(메모리 주소 레지스터) : 읽기와 쓰기 연산을 수행할 주기억장치 주소를 저장한다.
• PC(프로그램 카운터) : 다음에 수행할 명령어 주소를 저장한다.
• IR(명령어 레지스터) : 현재 실행 중인 명령어를 저장한다.
• MBR(메모리 버퍼 레지스터) : 주기억장치에서 읽어온 데이터나 저장할 데이터를 임시 저장한다.
• AC(누산기) : 연산 결과를 임시 저장한다.

CPU의 동작 과정

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

명령어 세트

CPU가 실행할 명령어의 집합

• 연산 코드(Operation Code) + 피연산자(Operand)로 이루어진다.
  연산 코드 : 실행할 연산
피연산자 : 필요한 데이터 or 저장 위치
• 연산 코드 기능 : 연산, 제어, 데이터 전달, 입출력
• 피연산자 기능 : 주소, 숫자, 문자, 논리 데이터 등을 저장한다.

명령어 사이클

CPU는 프로그램을 실행하기 위해 주기억장치에서 명령어를 순차적으로 인출하여 해독하고 실행하는 과정을 반복한다.
CPU가 주기억장치에서 한 번에 하나의 명령어를 인출하여 실행하는데 필요한 일련의 활동을 명령어 사이클이라고 한다.
명령어 사이클은 인출/실행/간접/인터럽트 사이클로 나누어진다.

인출 사이클과 실행 사이클에 의한 명령어 처리 과정

주기억장치의 지정된 주소에서 하나의 명령어를 인출한다.
실행 사이클에서 명령어를 실행한다.
하나의 명령어 실행이 완료되면, 그다음 명령어에 대한 인출 사이클을 시작한다.

처리 과정

1. PC에 저장된 주소를 MAR로 전달한다.
2. 저장된 내용을 토대로 주기억장치의 해당 주소에서 명령어를 인출한다.
3. 인출한 명령어를 MBR에 저장한다.
4. MBR에 저장된 내용을 IR에 전달한다.
5. 다음 명령어를 인출하기 위해 PC값을 증가시킨다.
   

   

인출 사이클 과정

인출 사이클에서는 PC(Program Counter) 값 증가가 가장 중요하다.

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

실행 사이클 과정

ADD addr 명령어 연산
이미 인출이 진행되고 명령어만 실행하면 되기 때문에 PC를 증가할 필요가 없다.

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

참고 사이트

컴퓨터의 구성
기억장치의 종류와 특성
인출 사이클과 실행 사이클