CPU

CPU란 컴퓨터의 운영 체제와 앱을 실행하고 기타 다양한 컴퓨터 작업을 관리하는 전자 회로의 집합체이다.
CPU는 컴퓨터의 내부 기능 조절, 전력 소모 감독, 컴퓨팅 리소스 할당, 다양한 앱, 프로그램 및 네트워크와의 인터페이스를 동시에 수행하는 부분입니다.

CPU는 사용자의 명령에 대한 작업을 수행하는 처리 장치이다.

CPU의 구성

1. 산술논리 연산 장치(ALU): 비교, 판단, 연산을 담당한다.

2. 제어부(CU)와 내부 버스: 명령어의 해석과 올바른 실행을 위해 CPU를 내부적으로 제어한다.

3. 레지스터: 처리할 명령어를 저장한다.

4. 캐시 메모리(L1): 처리속도를 높여주는 역할을 한다.

레지스터?

연산에 필요한 데이터를 저장하고 빠른속도로 접근할 수 있는 저장공간

프로세서 레지스터

프로세서에 위치한 고속 메모리로 극히 소량의 데이터나 처리 중인 중간 결과와도 같은 프로세서가 바로 사용할 수 있는 데이터를 담고 있는 영역이다.
1. 범용 레지스터: 연산에 필요한 데이터나 연산 결과를 임시로 저장

2. 특수목적 레지스터: 특별한 용도로 사용하는 레지스터

   특수목적 레지스터는 아래와 같은 다양한 레지스터가 존재합니다.

• 메모리 주소 레지스터: (MAR) : 읽고 쓰기 위한 주기억장치의 주소를 저장한다.
• 프로그램 카운터 (PC) : 다음에 수행할 명령어의 주소를 저장
• 명령어 레지스터 (IR) : 현재 실행 중인 명령어를 저장
• 메모리 버퍼 레지스터 (MBR) : 주기억장치에서 읽어온 데이터나 저장할 테이터를 임시로 저장
• 누산기 (AC, ACCUMULATOR) : 연산 결과를 임시로 저장

제어장치(CU)

명령어를 실행하는 순서를 제어하고 스케줄링한다.

제어부와 내부버스

1.제어부: 주기억 장치에 저장되어 있는 명령어를 순서대로 호출하여 해독, 제어 신호를 발생시켜 컴퓨터의 각 장치를 동작하도록 하는 장치이다.
2.내부버스: 기억,연산,제어 기능을 실현하기 위한 CPU와 주기억 장치,입출력 장치, 이부 기억 장치, 주변 장치, 통신 처리 장치 등의 제어부 사이를 연결하는 버스이다.

연산장치(ALU)

논리연산(덧셈,뺄셈,비교연산)을 수행한다.
연산장치: 산술 논리 장치라고 불리는 이곳은 덧셈,뺄셈같은 산술연산과 논리 연산을 계산하는 디지털 회로이다.

CPU의 동작

1.명령어 인출: CU가 이번에 수행할 명령어 정보를 가지고 옴
2.명령어 해독: opCode라는 명령어 코드를 인출하고 opCode의 성격에 맞게 레지스터들을 준비시킴
3.실행: 해독된 명령어를 수행
4.반영: 명령어의 수행 결과를 반영

메모리

• 레지스터 = CPU
• 캐시메모리(SRAM), 메인 메모리(DRAM) = 주 기억장치
• 하드디스크(HDD) = 보조 기억장치

캐시메모리

캐시메모리는 컴퓨터가 전원이 꺼지면 지워지나(휘발성 메모리) 제일 빠르게 조회할 수 있는 저장공간이다.

CPU 구성에 있는 캐시메모리는 L1과 별개로 구성되어 있는 L2,L3 캐시메모리라고 부른다.
L2,L3 캐시 메모리는 메인 메모리에 있는 데이터를 캐시 메모리에 불러와서 CPU가 필요한 데이터를 캐시에서 먼저 찾도록 하여 시스템 성능을 향상 시켜 준다.(레지스터와 비슷하나 다름)

L2,L3 캐시메모리 vs CPU 레지스터

L2,L3 캐시메모리는 CPU와 별도의 공간, 메인 메모리와 CPU 간의 속도차이를 극복하기 위함
CPU레지스터는 CPU안에 연산을 처리하기 위해 데이터를 저장하는 공간

최근 나오는 인텔 코어들은 L2,L3 캐시메모리가 CPU안에 결합된 모습을 보여주는 것 같다.

주기억장치(=메인메모리=RAM)

캐시메모리와 마찬가지로 전원이 꺼지면 지워지나 조금 더 빠르게 조회할 수 있는 저장공간이다.
주기억장치(DRAM)이며, SRAM은 캐시나 레지스트리다.

• 전원이 꺼지면 메인 메모리에 저장된 내용들은 모두 사라지기에 데이터를 하드디스크에 저장해야만 한다.
• 보조기억장치(하드디스크)보다 접근속도가 빠르다.
• 모든 프로그램은 컴퓨터에서 실행되기 위해서 메모리의 일부를 사용한다.
• HDD-RAM-CPU와 유사한 방식으로 연산과정의 중간에 위치한다.
• HDD에 비해 월등하게 빠른 속도로 CPU가 정보를 원활히 이용할 수 있도록 한다.
• CPU가 사용하기 좋도록 각종 정보를 임시 저장하는 휘발성 장치이다.

SRAM vs DRAM

SRAM

• 정적 메모리
• 전원 공급이 되는 동안은 기록된 내용이 지워지지 않기에 재충전이 필요 없음
• 접근 속도가 빠르고 가격이 비싸단느 특징이 있어 주로 캐시메모리나 레지스터로 사용
  DRAM
• 동적 메모리
• 전원이 계속 공급되더라도 주기적으로 재충전(특정한 주기에 맞춰서 데이터를 유지하기 위해 하는 동작)되어야 기억된 내용을 유지할 수 있음
• 주로 대용량의 기억장치에 사용되며 가격이 저렴
• 주로 RAM이라고 표현하는 것(주기억장치)는 거의 DRAM이다.

보조기억장치

컴퓨터 전원이 꺼져도 지워지지 않는 저장공간이다.

• 사용자가 사용하고자 하는 데이터와 프로그램을 반영구적으로 저장합니다.
• 전원을 끄더라도 저장된 데이터나 정보가 날아가지 않는 비휘발성 메모리입니다.
• 그렇기 때문에 우리가 설치하는 모든 프로그램이나 파일들은 이곳에 반영구적으로 저장됩니다.

CPU와 메모리의 동작

1. 주기억장치가 입력장치에서 입력 받은 데이터,보조기억장치에 저장된 프로그램을 읽어 온다.
2. CPU는 프로그램을 실행하기 위해 주기억장치에 저장된 프로그램 명령어, 데이터를 읽어와 처리하고 결과를 다시 주기억장치에 저장한다.
3. 주기억장치는 처리 결과를 보조기억장치에 저장, 출력장치로 보내어 출력
4. CPU 내의 제어장치가 1~3번 과정에서 명령어가 순서대로 실행되도록 각 장치들을 제어한다.