컴퓨터 구조 - CPU에 대해서

컴퓨터 구조 - CPU에 대해서

 

컴퓨터 부품을 살 때 가장 중요시 여겨지는 부품 CPU

오늘은 이 CPU에 대해서 알아볼 것이다.

 

CPU의 기능

• 명령어 인출 - 기억장치로부터 명령어를 읽어온다.
• 명령어 해독 : 명령어를 해독한다.

CPU를 아는 것은 명령어 인출과 명령어 해독에 대해 아는 것과 같다.

 

그 뒤로 데이터를 인출(가져오기)할 수도 있고 처리(연산)도 가능하다. 그리고 수행한 값을 저장할 수도 있다.

 

 

 

CPU의 내부 구성요소

 

내부 구성요소는 크게 4개로 분류할 수 있다.

 

1. ALU

• 연산을 하는 곳(산술, 논리 등)

2. 레지스터

• 엑세스 속도가 가장 빠른 기억장치
• CPU 내부의 레지스터의 수는 제한 됨

3. 제어 유니트

• 제어 신호를 발생하는 하드웨어 모듈

4. CPU 내부 버스

• 데이터 이동을 위한 제어 신호 선들
• 외부 시스템과 직접 연결 x, 버퍼 레지스터 or 시스템 버스 인터페이스 회로를 통하여 접속

 

 

명령어 사이클

- CPU가 한 개의 명령어를 실행하는 데 필요한 전체 처리 과정.

 

이 명령어 사이클은 두개의 부 사이클로 분리된다.

• 인출 사이클 : CPU가 기억장치로부터 명령어를 읽어오는 단계
• 실행 사이클: 명령어를 실행하는 단계

 

 

명령어 실행에 필요한 CPU 내부 레지스터들

 

CPU 내부의 레지스터들은 여러가지가 있는데 이들은 어떤 역할을 하는지 알아보자.

 

1. 프로그램 카운터(PC)

• 다음에 인출한 명령어의 주소를 가지고 있는 레지스터
• 인출된 후에는 자동적으로 일정 크기만큼 증가

2. 누산기(AC)

• 데이터를 일시적으로 저장하는 레지스터
• 레지스터의 길이는 CPU가 한 번에 처리할 수 있는 데이터 비트 수(단어 길이)와 동일

3. 명령어 레지스터(IR)

• 가장 최근에 인출된 명령어 코드가 저장되어 있는 레지스터

4. 기억장치 주소 레지스터(MAR)

• PC ->시스템 주소 버스로 가기전에 일시적으로 저장되는 주소 레지스터

5. 기억장치 버퍼 레지스터(MBR)

• 기억장치로부터 읽혀진 데이터를 일시적으로 저장하는 레지스터

CPU 내부 레지스터에 무엇이 있는지 알아보았다. 그렇다면 이들은 어떻게 데이터를 처리하고 연산하고 저장을 할까?

 

먼저 인출 사이클과 실행 사이클을 알아야 한다.

 

인출 사이클

-->인출 사이클의 목적은 PC에 있는 주소를 통해 그 주소의 값을 가져와서 IR에 담는 것이다.

     이러한 과정이 인출 과정이다.

 

이 과정을 3분할로 나누면 이렇다.

 

t_{0 : MAR <- PC}

t_{1 : MBR <-M[MAR], PC <-PC +1}

t_{2 : IR <-MBR} 

 

_{t0 : PC에 있는 주소를 MAR로 전송}

_{t1 : MAR에 있는 명령어 주소가 가리키는 "값"을 MBR에 전송, PC가 1증가해 다른 주소값을 담게 됨 (ex 100-> 101)}

_{t2 : MBR에 있는 값을 IR에 저장}

 

_{위 세 타임의 과정이 모여 새로운 명령어가 IR에 들어가는 것이다.} 

_{감이 안 올 수도 있으니 필자가 그림을 그려봤다.(잘 못 그리니 이해해주자..)}

 

명령어 인출과정

 

이제 실행 사이클을 알아보자.

 

실행 사이클의 기본적인 명령어 형식은 이렇다.

연산 코드

오퍼랜드(addr)

 

연산 코드는 CPU가 수행할 연산을 지정하고, ex) ADD, LOAD, STR

 

오퍼랜드는 명령어 실행에 필요한 데이터가 저장된 주소거나 데이터이다.

 

참고로 연산 코드는 우리가 앞서 배웠던 어셈블리 언어이며 이를 "니모닉스"라고 부르기도 한다.

 

먼저 차례로 이 니모닉스를 알아보자.

 

 

1)LOAD addr 명령어

• 기억장치에 저장되어 있는 데이터를 CPU 내부 레지스터인 AC로 이동하는 명령어

t0 : MAR <-IR(addr) 

t1 : MBR <- M(MAR)

t2 : AC <- MBR

 

예를들어 LOAD를 1 STA를 2 ADD를 3이라고 해보자.

 

그렇다면 IR에는 1340과 같은 숫자가 적혀있을 것인데, 이때 1은 연산 코드를 의미하고 340은 오퍼랜드를 의미한다.

 

즉 340번 주소에 있는 데이터값을 1번(LOAD)한다 라는 의미와 일맥상통한다.

 

위의 LOAD 과정을 살펴보면,

IR에 있는 값(예시에 있는 1340과 같이)이 MAR로 들어간다. 그 후 MAR에 있는 주소가 가리키는 값을 MBR에 넣고 MBR에서 AC로 간다. 이 과정은 주 기억장치에 있는 데이터가 CPU내부의 AC 레지스터로 갔다는 점에서 큰 의미가 있다.

 

2)STA addr 명령어

• LOAD와 반대 --> AC 레지스터에서 주 기억장치로 데이터를 옮긴다.

t0 : MAR <-IR(addr)

t1 : MBR <- AC

t2: : M[MAR] <- MBR

 

1번과정은 위의 LOAD와 같고, 나머지 2, 3번과정은 AC에 있는 값을 MBR로, MBR의 값을 MAR의 주소가 가리키는 값에 넣으면 된다.

 

3)ADD addr 명령어

• 기억장치에 저장된 데이터를 AC의 내용과 더하고 그 결과를 다시 AC에 저장하는 명령어

t0 : MAR <- IR(addr)

t1 : MBR <- M[MAR]

t2 : AC <- AC + MBR

 

마찬가지로 1번과정은 명령어를 불러 일으키고 2번 과정은 MBR에 값을 넣고 3번은 그 MBR과 AC에 있는 값을 더한다.

구체적으로는 ALU라는 연산을 처리하는 레지스터가 존재하는데 이 레지스터에 두 값을 넣어 연산한 후에 AC에 저장하는 것이다.

 

번외로 JUMP 명령어도 알아보자.

JUMP 명령어는 오퍼랜드(addr)가 가리키는 위치의 명령어로 실행 순서를 변경하는 명령어이다.

예를 들어 9번이 JUMP 명령어라고 치고 9240이라는 명령어 주소가 들어왔다고 해보자.

그렇다면 위의 뜻은 이렇게 된다. 240번으로 이동한다 --> PC의 값을 240으로 바꾼다와 같다.

 

항상 순차적인 명령만 내릴수는 없다. 명령을 띄어서 호출할 때도 있어야 하므로 이 JUMP명령어가 쓰인다.