CPU는 메모리에 저장된 명령어를 읽어 들이고, 해석하고, 실행하는 장치다. 그리고
CPU 내부에는 계산을 담당하는 ALU, 명령어를 읽어 들이고 해석하는 제어장치, 작은 임시 저장 장치인 레지스터라는 구성 요소가 있다. ALU와 제어장치가 무엇을 내보내고, 무엇을 받아들이는 걸까?

ALU

ALU가 어떤 정보를 받아들이고 내보내는지 표현한 그림이다.

ALU가 받아들이는 정보부터 보자. ALU는 계산하는 부품이다 그러면 ALU가 계산하기 위해서는 피연산자와 수행할 연산이 필요하다.
그래서 ALU는 레지스터를 통해 피연산자를 받아들이고, 제어장치로부터 수행할 연산을 알려주는 제어 신호를 받아들인다. ALU는 레지스터와 제어장치로부터 받아들인 피연산자와 제어 신호로 산술 연산, 논리 연산 등 다양한 연산을 수행함.

연산을 수행한 결과는 특정 숫자나 문자가 될 수도 있고, 메모리 주소가 될 수도 있다. 그리고 이 결괏값은 바로 메모리에 저장되지 않고 일시적으로 레지스터에 저장된다.
CPU가 메모리에 접근하는 속도는 레지스터에 접근하는 속도보다 훨씬 느리다. ALU가 연산할 때마다 결과를 메모리에 저장한다면 당연하게도 CPU는 메모리에 자주 접근하게 되고, CPU가 프로그램 실행 속도를 늦출 수 있다. 그래서 ALU의 결괏값을 메모리가 아닌레지스터에 우선 저장하는 것이다.
그림을 보면 계산 결괏값 외에 ALU가 내보내는 또 다른 정보가 있다. ALU는 계산 결과와 더불어 플래그를 내보낸다.
이 플래그는 지난 글에서 작성했다. 그리고 연산 결과가 연산 결과를 담을 레지스터보다 클 때도 '결괏값이 너무 크다'라는 추가정보를 내보낸다.

이러한 연산 결과에 대한 추가적인 상태 정보를 플래그(flag)라고 한다. ALU가 내보내는 대표적인 플래그는 아래와 같다

이러한 플래그는 CPU가 프로그램을 실행하는 도중 반드시 기억해야 하는 일종의 참고 정보다. 그리고 플래그들은 플래그 레지스터라는 레지스터에 저장된다. 플래그 레지스터는 이름 그대로 플래그 값들을 저장하는 레지스터다.

예를 들어 플래그 레지스터가 아래와 같은 구조를 가지고 있고, ALU가 연산을 수행한 직후 부호 플래그 가 1이 되었다면 연산 결과는 음수임을 알 수 있다.

또한 만약 ALU가 연산을 수행한 직후 플래그 레지스터가 아래와 같다면 제로 플래그가 1이 되었으니 연산 결과는 0임을 알 수 있다.

이 밖에도 ALU 내부에는 여러 계산을 위한 회로가 있다. 대표적으로 덧셈을 위한 가산기, 뺄셈을 위한 보수기, 시프트 연산을 수행해 주는 시프터, 오버플로우를 대비한 오버플로우 검출기 등이 있다.

제어장치

제어 신호를 내보내고, 명령어를 해석하는 부품이다. 그리고 제어 신호는 컴퓨터 부품들을 관리하고 작동시키기 위한 일종의 전기 신호다.
제어장치는 CPU의 구성 요소 중 가장 정교하게 설계된 부품이다.
CPU 제조사마다 제어장치의 구현 방식이나 명령어를 해석하는 방식, 받아들이고 내보내는 정보에는 조금씩 차이가 있다.

제어장치가 무엇을 받아들이고, 무엇을 내보내는지 그림을 보며 살펴보자

제어장치가 받아들이는 정보

제어장치는 클럭 신호를 받아들인다.

• 클럭이란? 컴퓨터의 모든 부품을 일사불란하게 움직일 수 있게 하는 시간 단위.
• 주기에 맞춰 한 레지스터에서 다른 레지스터로 데이터가 이동되거나, ALU에서 연산이 수행되거나, CPU가 메모리에 저장된 명령어를 읽어 들이는 것

다만, "컴퓨터의 모든 부품이 클럭 신호에 맞춰 작동한다"라는 말을 "컴퓨터의 모든 부품이 한 클럭마다 작동한다"로 이해해선 안된다.
컴퓨터 부품들은 클럭이라는 박자에 맞춰 작동할 뿐. 한 박자마다 작동하는건아니다.

제어장치는 '해석해야 할 명령어'를 받아들인다.

• CPU가 해석해야 할 명령어는 명령어 레지스터라는 특별한 레지스터에 저장
• 제어장치는 이 명령어 레지스터로부터 해석할 명령어를 받아들이고 해석한 뒤, 제어 신호를 발생시켜 컴퓨터 부품들에 수행해야 할 내용을 알려줌

제어장치는 플래그 레지스터 속 플래그 값을 받아들인다.

• 제어장치가 제어 신호를 통해 컴퓨터 부품들을 제어할 때 이 중요한 참고 사항을 무시하면 안된다.
• 제어장치는 플래그 값을 받아들이고 이를 참고하여 제어 신호를 발생시킴

제어장치는 시스템 버스, 그중에서 제어 버스로 전달된 제어 신호를 받아들인다.

• 제어 신호는 CPU뿐만 아니라 입출력장치를 비롯한 CPU 외부 장치도 발생시킬 수 있다.
• 제어장치는 제어 버스를 통해 외부로부터 전달된 제어 신호를 받아들이기도 한다.

제어장치가 내보내는 정보

크게보면 CPU 외부에 전달하는 제어 신호와 CPU 내부에 전달하는 제어 신호가 있다.
제어장치가 CPU 외부에 제어 신호를 전달한다는 말은 곧, 제어 버스로 제어 신호를 내보낸다는 말과 같다. 이러한 제어 신호에는 크게 메모리에 전달하는 제어 신호와 입출력장치에 전달하는 제어 신호가 있다.

☆ 여기에서 입출력장치는 보조기억장치를 포함한다.

제어장치가 메모리에 저장된 값을 읽거나 메모리에 새로운 값을 쓰고 싶다면 메모리로 제어 신호를 내보낸다. 그리고 제어장치가 입출력장치의 값을 읽어나 입출력장치에 새로운 값을 쓰고 싶을 때는 입출력장치로 제어 신호를 내보낸다.
제어장치가 CPU 내부에 전달하는 제어 신호에는 크게 ALU에 전달하는 제어 신호와 레지스터에 전달하는 제어 신호가 있다. ALU에 수행할 연산을 지시하기 위해, 레지스터에는 레지스터 간에 데이터를 이동시키거나 레지스터에 저장된 명령어를 해석하기 위해 제어 신호를 내보낸다.

마무리

• ALU는 레지스터로부터 피연산자를 받아들이고, 제어장치로부터 제어 신호를 받아들인다.
• ALU는 연산 결과와 플래그를 내보낸다.
• 제어장치는 클럭, 현재 수행할 명령어, 플래그, 제어 신호를 받아들인다.
• 제어장치는 CPU 내부와 외부로 제어 신호를 내보낸다.