[Study - CS > Computer Architecture] CPU 작동 원리
중앙 처리 장치(CPU) 작동 원리
CPU는 컴퓨터에서 가장 핵심적인 역할을 수행하는 부분이다.
크게 연산 장치, 제어 장치, 레지스터 3가지로 구성된다.
연산 장치
산술 연산과 논리 연산을 수행한다.
연산에 필요한 데이터를 레지스터에서 가져오고, 연산 결과를 다시 레지스터로 보낸다.
산술 논리 연산 장치라고도 부른다.
제어 장치
명령어를 순서대로 실행할 수 있도록 제어하는 장치
주기억 장치에서 프로그램 명령어를 꺼내 해독한다.
해독한 결과에 따라 명령어 실행에 필요한 제어 신호를 기억 장치, 입출력 장치로 보내고, 이 장치들이 보낸 신호를 받아 다음에 수행할 동작을 결정한다.
레지스터
고속 기억 장치이다.
명령어 주소, 코드, 연산에 필요한 데이터, 연산 결과 등을 임시로 저장한다.
CPU 종류에 따라 사용할 수 있는 레지스터 개수와 크기가 다르다.
용도에 따라 범용 레지스터와 특수목적 레지스터로 구분된다.
- 범용 레지스터 : 연산에 필요한 데이터나 연산 결과를 임시로 저장
- 특수목적 레지스터 : 특별한 용도로 사용
특수목적 레지스터 중 중요한 것들
- MAR(메모리 주소 레지스터) : 읽기와 쓰기 연산을 수행할 주기억 장치 주소 저장
- PC(프로그램 카운터) : 다음에 수행할 명령어 주소 저장
- IR(명령어 레지스터) : 현재 실행중인 명령어 저장
- MBR(메모리 버퍼 레지스터) : 주기억 장치에서 읽어온 데이터 및 저장할 데이터 임시 저장
- AC(누산기) : 연산 결과 임시 저장
CPU의 동작 과정
- 주기억 장치는 입력 장치에서 입력 받은 데이터 또는 보조 기억 장치에 저장된 프로그램을 읽어온다.
- CPU는 프로그램을 실행하기 위해 주기억 장치에 저장된 프로그램 명령어와 데이터를 읽어와 처리하고 결과를 다시 주기억 장치에 저장한다.
- 주기억 장치는 처리 결과를 보조 기억 장치에 저장하거나 출력 장치로 보낸다.
- 제어 장치는 1~3 과정에서 명령어가 순서대로 실행되도록 각 장치를 제어한다.
명령어 세트
아래와 같이 CPU가 실행할 명령어의 집합이다.
연산 코드(Operation Code) + 피연산자(Operand)
- 연산 코드 : 연산, 제어, 데이터 전달, 입출력 기능
- 피연산자 : 주소, 숫자 및 문자, 논리 데이터 등을 저장
CPU는 프로그램을 실행하기 위해 주기억 장치에서 명령어를 순차적으로 인출하여 해독하고 실행하는 과정을 반복한다.
CPU가 주기억 장치에서 한번에 하나의 명령어를 인출하여 실행하는데 필요한 일련의 활동을 명령어 사이클이라고 말한다.
명령어 사이클은 인출-실행-간접-인터럽트 사이클로 나누어진다.
주기억 장치의 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 증가이다.
T0 : PC –> MAR
T1 : M[MAR] –> MBR, PC + 1 –> PC
T2 : MBR –> IR
- PC에 저장된 주소를 MAR로 전달
- 저장된 내용을 토대로 주기억 장치의 해당 주소에서 명령어 인출
- 인출한 명령어를 MBR에 저장
- 다음 명령어를 인출하기 위해 PC 값 증가
- MBR에 저장된 내용을 IR에 전달
인출 이후 명령어 실행 과정
ADD 주소 명령어 연산
T0 : IR(Addr) –> MAR
T1 : M[MAR] –> MBR
T2 : AC + MBR –> AC
이미 인출이 진행되고 명령어만 실행되면 되기 때문에 PC를 증가시킬 필요가 없다.
IR에 MBR의 값이 이미 저장된 상태를 의미한다.
따라서 AC에 MBR을 더해주기만 하면 된다.