[OS] CPU

◎ CPU의 구성

• 산술논리 연산장치 : 데이터의 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈 같은 산술 연산과 AND, OR 같은 논리 연산을 수행
• 제어장치 : CPU에서 작업을 지시
• 레지스터 : CPU 내에 데이터를 임시로 보관

◎ 명령어 실행 5단계

1. IF (Instruction Fetch) : 명령어 인출
2. ID (Instruction Decode) : 명령어 해독
3. EXE (Execution) : 실행
4. MEM (Memory) : 메모리로 이동
5. WB (Write Back) : 쓰기 및 저장

◎ CPU의 동작

CPU의 명령어 처리 과정 (덧셈 처리 과정)

LOAD mem(100), register 2
LOAD mem(120), register 3
ADD register 5, register 2, register 3
MOVE register 5, mem(160)

1. 메모리 100번지 내용을 register 2로 이동
2. 메모리 120번지 내용을 register 3로 이동
   • R2, R3는 덧셈을 하기 전에 데이터를 임시로 보관하는 곳을 의미
3. register 2, register 3 값을 더하라. 그리고 더한 값은 register 5에 임시 저장함
4. register 5에 저장된 값을 메모리 160번지로 옮긴다.

LOAD 과정

LOAD mem(100), register 2
 ...

1. 명령어 실행
   • 프로그램 카운터(PC)에는 실행해야 하는 코드의 행 번호가 저장되어 있다.
   • 1이 제어 장치에 전손되면 1행이 실행됨
   • 명령어 레지스터(IR)에는 LOAD가 탑재된다.
2. 제어 신호 전송
   • 제어 장치가 명령어 레지스터(IR)에 있는 명령 LOAD를 해석
   • 메모리 100번지에 있는 데이터를 가져오라는 제어 신호를 보냄
3. CPU로 데이터를 옮기기
   • 메모리 주소 레지스터에 100이 저장
   • "메모리 관리자"가 메모리 주소에 있는 100을 읽음
   • "메모리 관리자"가 메모리 주소 100번지에 저장된 값 2를 메모리 버퍼 레지스터(MER)로 보냄
     • 레지스터는 CPU가 관리하는 영역이기 때문에 메모리 관리자가 직접 숫자 2를 레지스터로 직접 옮길 수는 없다.
4. 레지스터로 데이터 옮기기
   • "제어장치"가 메모리 버퍼 레지스터(MBR)에 있는 값을 레지스터로 올긺

분기문 처리가 있는 경우

if (D2 - D3 > 0)
    goto 100;
else
    goto 200;

• 프로그램 상태 레지스터(PSR)에 D2 - D3의 결과를 임시로 저장했다가 해당 결돠를 제어장치에 알려주어 몇번 행으로 이동할지 결정
• 프로그램 상태 레지스터(PSR)는 산술논리 연산장치(ALU)와 연결되어 연산 결과를 저장

◎ 주요 레지스터의 종류와 특징

• 일반 레지스터

  일반 레지스터	특징
  데이터 리제스터(DR)	CPU가 명령을 처리하는데 필요한 데이터를 임시 저장
  주소 레지스터(AR)	데이터 또는 명령어가 저장된 메모리의 주소를 저장

• 특수 레지스터

  특수 레지스터	특징
  프로그램 카운터(PC)	다음에 실행할 명령어의 위치 (코드의 행 번호)를 저장
  명령어 레지스터(IR)	현재 실행중인 명령어를 저장
  메모리 주소 레지스터(MAR)	메모리 주소 관리자가 접근해야할 메모리의 주소를 저장
  메모리 버퍼 레지스터(MBR)	메모리 관리자가 메모리에서 가져온 데이터를 임시로 저장
  프로그램 상태 레지스터(PSR)	연산 결과(양수, 음수 등)을 저장한다

◎ 버스

버스의 종류

• 제어 버스
  • CPU가 메모리와 주변 장치에 제어 신호를 보내기 위해 사용
  • 메모리와 주변장치에서도 작업이 완료되거나 오류를 발생하면 제어 신호를 보냄 (양방향)
• 주소 버스
  • 메모리 주소 레지스터와 연결됨
  • 메모리나 주변장치에 데이터를 읽거나 쓸 때 위치 정보를 보내기 위해 사용 (단방향)
• 데이터 버스
  • 메모리 버퍼 레지스터와 연결
  • 데이터의 이동이 양방향으로 이루어짐

버스의 대역폭

• 워드(word) : 한 번에 전달할 수 있는 데이터의 최대 크기
  = CPU가 한번에 처리할 수 있는 데이터의 크기
• 버스의 대역폭, 레지스터의 크기, 메모리에 한 번에 저장할 수 있는 데이터의 크기는 항상 같음
• 예시
  • 32bit memory : 데이터를 읽거나 쓸 때 한번에 최대 32bit,
    레지스터의 크기 32bit, 버스의 대역폭도 32bit