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중앙처리장치(CPU) 작동 원리

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1. 연산 장치

• 산술/논리 연산을 수행

• 연산에 필요한 데이터를 레지스터에서 가져오고, 결과를 레지스터로 보낸다.

2. 제어 장치

• 명령어를 순서대로 실행할 수 있도록 제어하는 장치

• 주기억장치에서 프로그램 명령어를 꺼내 해독하고, 실행에 필요한 제어 신호를 기억장치, 연산장치, 입출력장치로 보내고 이들 장치가 보낸 신호를 받아 다음 수행 동작을 결정한다.

3. 레지스터

• 고속 기억장치

• 명령어 주소, 코드, 데이터, 연산 결과 등을 임시로 저장한다.

• 종류
  ㅁ 범용 레지스터 : 데이터, 연산 결과를 임시로 저장
  ㅁ 특수목적 레지스터 : 특별한 용도를 위해 사용

• 특수목적 레지스터 종류
  ㅁ MAR(메모리 주소 레지스터) : 읽기와 쓰기 연산을 수행할 주기억장치의 주소를 저장
  ㅁ PC(프로그램 카운터) : 다음에 수행할 명령어 주소를 저장
  ㅁ IR(명령어 레지스터) : 현재 실행 중인 명령어를 저장
  ㅁ MBR(메모리 버퍼 레지스터) : 주기억장치에서 읽어온/저장할 데이터를 임시 저장
  ㅁ AC(누산기) : 연산 결과 임시 저장

4. CPU 동작 과정

1. 주기억장치는 입력장치에서 입력받은 데이터 또는 보조기억장치에 저장된 프로그램을 읽어온다.
2. CPU는 프로그램을 실행하기 위해 주기억장치에 저장된 프로그램 명령어와 데이터를 읽어와 처리하고 그 결과를 다시 주기억장치에 저장한다.
3. 주기억장치는 처리 결과를 보조기억장치에 저장 혹은 출력장치로 보낸다.
4. 제어장치는 1~3 과정에서 명령어가 순서대로 실행되도록 각 장치들을 제어한다.

5. 명령어 세트

• CPU가 실행할 명령어의 집합이다.

• 연산코드(Operation Code) + 피연산자(Operand)로 이루어진다.
  ㅁ 연산코드 : 실행할 연산, 입출력 기능
  ㅁ 피연산자 : 필요한 데이터, 주소 등을 저장

• 명령어 사이클 : CPU가 주기억장치에서 한 번에 하나의 명령어를 인출하여 실행하는 데 필요한 일련의 활동을 의미한다.

• 명령어 사이클은 인출/실행/간접/인터럽트 사이클로 나누어진다.

• 주기억장치의 지정된 주소에서 하나의 명령어를 가져오고, 실행 사이클에서는 명령어를 실행한다. 하나의 명령어 실행이 완료되면 그 다음 명령어에 대한 인출 사이클이 시작된다.

6. 인출 사이클과 실행 사이클 과정

• <인출하기까지의 과정>

• PC(프로그램 카운터)에 저장된 주소를 MAR로 전달한다.
  -> 저장된 내용으로 주기억장치의 해당 주소에서 명령어를 인출한다.
  -> 인출한 명령어를 MBR에 저장한다.
  -> 다음 명령어를 인출하기 위해 PC값을 증가시킨다.
  -> MBR에 저장된 내용을 IR에 전달한다.
  

• 인출 사이클에서는 PC 값 증가가 가장 중요한 부분이다.

• <인출 이후, 명령어 실행 과정>

• PC 값을 증가할 필요 없이 AC에 MBR을 더해주기만 하면 된다.