[Computer Architecture] 중앙처리장치(CPU) 작동 원리

중앙처리장치(CPU)란?

• CPU는 컴퓨터에서 가장 핵심적인 역할을 수행하는 부분이며, 인간의 두뇌에 해당한다.
• CPU는 크게 연산장치, 제어장치, 레지스터 3가지로 구성된다.

 

연산 장치

• 산술 연산과 논리 연산 수행
• 연산에 필요한 데이터를 레지스터에서 가져오고, 연산 결과를 다시 레지스터로 보냄

제어 장치

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

레지스터

• 고속 기억장치로써 명령어 주소, 코드, 연산에 필요한 데이터, 연산결과 등을 임시로 저장
• 용도에 따라 범용과 특수목적으로 구분됨
  • 범용 레지스터 : 연산에 필요한 데이터나 연산 결과를 임시로 저장
  • 특수목적 레지스터 : 특별한 용도로 사용하는 레지스터

특수 목적 레지스터 중 중요한 것들

• 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 or 저장할 데이터 임시 저장
• AC(누산기) : 연산 결과 임시 저장

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CPU의 동작 과정

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 각 장치를 제어한다.

입력 (보조기억장치) => 주기억장치 => CPU => 주기억장치 => 출력(보조기억장치)

 

명령어 세트

• CPU가 실행할 명령어의 집합
• 연산코드(Operation Code)와 피연산자(Operand)로 이루어져 있다.
  • 연산코드 : 실행할 연산 (연산, 제어, 데이터 전달, 입출력 기능) 
  • 피연산자 : 필요한 데이터 or 저장 위치 (주소, 숫자/문자, 논리 데이터)

명령어 사이클

• CPU는 프로그램을 실행하기 위해 주기억장치에서 명령어를 순차적으로 인출하여 해독하고 실행하는 과정을 반복한다. 이 때, 한번에 하나의 명령어를 인출하여 실행하는데 필요한 일련의 활동을 "명령어 사이클"이라고 한다.
• 명령어 사이클은 인출/실행/간접/인터럽트 사이클로 나눠진다.
• 주기억장치의 지정된 주소에서 하나의 명령어를 가져오고, 실행 사이클에서는 명령어를 실행한다.
• 하나의 명령어 실행이 완료되면 그 다음 명령어에 대한 인출 사이클이 시작된다.

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

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