중앙처리장치 CPU

CPU(Central Processing Unit)는 명령어의 해석과 자료 연산, 비교 등 처리를 제어하는 핵심장치이다. 

 

• 여러 입력 장치로부터 자료를 받아서 처리한 후 결과를 출력장치로 보내는 과정을 제어하고 조정
• 프로그램 명령어 실행 (제어장치 / 연산장치 / 레지스터)

모두 '제어'라는 말이 있듯이 컴퓨터의 두뇌 역할을 한다. 

컴퓨터에 입력이 들어오면 처리하여 행동을 하게끔 하고 (통제), 명령을 해석하여 작업을 조정하고 제어한다 (명령)

 

 

구성

 

연산장치 (ALU; Arithmetic and Logical Unit)

•  산술연산, 논리연산 수행 (산술논리연산장치라고도 불림)
  • 연산에 필요한 데이터를 레지스터에서 가져오고, 연산 결과를 다시 레지스터로 보냄

 

구성 장치

가산기(Adder): 2진수 덧셈 수행 
보수기(Complementer): 뺄셈 수행을 위해 입력된 값을 보수로 변환
누산기(ACCumulator)
데이터 레지스터: 연산한 데이터 저장
프로그램 상태 워드(PSW; Program Status Word): 명령어 실행 중 발생하는 CPU 상태 정보 저장
인덱스 레지스터(Index Register): 유효 주소를 상대적으로 계산할 때
베이스 레지스터(Base Register): 유효 주소를 절대적으로 계산할 때

 

제어장치 (CU; Control Unit)

•  명령어를 순서대로 실행할 수 있도록 제어하는 장치
• 주기억장치에서 프로그램 명령어를 꺼내 해독하고, 결과에 따라 명령어 실행에 필요한 제어신호를 기억장치, 연산장치, 입출력장치로 보냄
• 이후에 해당 장치들이 보낸 신호를 받아 다음에 수행할 동작을 결정함 

 

구성 장치

프로그램 카운터(PC)
명령 해독기(Instruction Decoder): 수행할 명령어를 해석하여 부호기로 전달하는 회로
부호기(Encoder): 명령 해독기에서 전송된 명령어를 제어 필요한 신호로 변환하는 회로
명령 레지스터(IR)
번지 해독기(Address Decoder): 명령 레지스터로부터 보내온 주소 해석

 

레지스터 (Register)

•  고속 기억장치
• 명령어 주소, 코드, 연산에 필요한 데이터, 연산 결과 등을 임시 저장
• 범용 레지스터와 특수목적 레지스터로 구분
• CPU 종류에 따라 사용할 수 있는 레지스터 개수와 크기가 다름
  • 범용 레지스터: 연산에 필요한 데이터 및 연산 결과를 임시로 저장
  • 특수목적 레지스터: 특별한 용도로 사용

 

특수 목적 레지스터 중 중요한 요소들

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

 

CPU 동작 과정

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

 

 

명령어 세트

▶ CPU가 실행할 명령어의 집합

▶ 연산코드(Operation Code) + 피연산자(Operand, 처리될 데이터)로 이루어짐

 

• 연산코드: 연산, 제어, 데이터 전달, 입출력 기능
• 피연산자: 주소, 숫자/문자, 논리 데이터 등 저장

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

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

명령어 사이클: 인출/실행/간접/인터럽트 사이클

주기억장치의 지정된 주소에서 하나의 명령어를 가져오고, 실행 사이클에서는 명령어를 실행한다.

하나의 명령어 실행이 완료되면 그 다음 명령어에 대한 인출 사이클이 시작된다. 

 

인출 사이클과 실행 사이클 명령어 처리 과정

인출 사이클

 

PC에 저장된 주소를 MAR(메모리 주소 레지스터)로 전달

⬇

저장된 내용을 토대로 주기억장치의 해당 주소에서 명령어 인출

⬇

인출한 명령어를 MBR(메모리 버퍼 레지스터)에 저장

⬇

다음 명령어를 인출하기 위해 PC(프로그램 카운터) 값 증가시킴

⬇

MBR에 저장된 내용을 명령어 레지스터(IR)에 전달

 

* PC(프로그램 카운터) 값 증가가 포인트

 

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

 

명령어 실행

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

인출이 진행되고 명령어만 실행하면 되기 때문에 PC를 증가할 필요가 없다. 

IR에 MBR의 값이 이미 저장된 상태를 의미하므로 AC에 MBR을 더해주기만 하면 된다. 

 

* ADD addr 명령어 연산