CPU 작동 원리

김하영·2023년 5월 15일

컴퓨터구조

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CPU 작동원리

CPU의 구성

CPU는 컴퓨터에서 가장 핵심적인 역할을 수행하는 부분으로 인간에게서 두뇌에 해당한다.
CPU는 크게 연산장치(ALU), 제어장치(Controller Unit), 레지스터(Register) 3가지로 구성된다.

연산장치 (ALU)

산술연산과 논리연산을 수행한다.(ALU - 산술 논리 연산 장치)
연산에 필요한 데이터를 레지스터에서 가져오고, 연산 결과를 다시 레지스터로 보낸다.

제어장치 (Controller Unit)

명령어를 순서대로 실행할 수 있도록 하는 제어장치이다.
메모리(주기억장치)에서 프로그램 명령어를 꺼내 해독하고, 그 결과에 따라 명령어 실행에 필요한 제어신호를 기억장치, 연산장치, 입출력 장치로 보낸다. 또한 이들 장치가 보낸 신호를 받아 다음에 수행할 동작을 결정한다.

레지스터

고속기억장치이다.
명령어주소, 코드, 연산에 필요한 데이터, 연산결과 등을 임시로 저장한다.
용도에 따라 범용 레지스터와 특수목적 레지스터로 구분된다.
CPU 종류에 따라 사용할 수 있는 레지스터의 개수와 크기가 다르다.

범용레지스터: 연산에 필요한 데이터나 연산결과를 임시로 저장
특수목적 레지스터: 특별한 용도로 사용하는 레지스터

중요한 특수 목적 레지스터들

MAR(메모리 주소 레지스터) : 읽기, 쓰기 연산을 수행할 메모리(주기억장치) 주소 저장
PC(프로그램 카운터) : 다음에 수행할 명령어 주소 저장
IR(명령어 레지스터) : 현재 실행중인 명령어 저장
MBR(메모리 버퍼 레지스터) : 주기억 장치에서 읽어온 데이터나 저장할 데이터를 임시저장
AC(누산기) : 연산결과 임시저장

CPU의 동작 과정

메모리(주기억장치)는 입력장치에서 입력받은 데이터나 보조기억장치에 저장된 프로그램을 읽어온다.
(메모리에 데이터와 명령어를 올린다)
CPU는 프로그램을 실행하기 위해 메모리에 저장된 프로그램 명령어와 데이터를 읽어와 처리하고 결과를 다시 메모리에 저장한다.
(CPU가 메모리를 읽어 연산하고 결과를 메모리에 저장한다.)
메모리(주기억장치)는 처리 결과를 보조기억장치에 저장하거나 출력장치로 보낸다.
(메모리는 연산결과를 저장하거나 출력한다.)
제어장치(controller unit)은 1~3과정에서 명령어가 순서대로 실행되도록 각 장치를 제어한다.

현 컴퓨터의 CPU 기본 실행구조

Instruction Fetch(인출) : 실행할 명령어를 메모리에서 읽어 CPU로 가져옴
- PC가 가리키는 주소를 MAR에 보냄
- MAR에 적힌 주소를 메모리에서 읽어서 MBR에 보냄
- MBR에 있는 명령어를 IR에 저장
- 다음 명령어를 가리키도록 PC는 주소값 증가
```
// fetch
T0 : MAR ← PC
T1 : MBR ← M[MAR], PC ← PC+1
T2 : IR ← MBR
```
Instruction Decode : 인출한 명령어에 포함된 데이터 가져오고 명령어 해독
Instruction Execution : 명령어 실행
- MBR의 데이터와 AC의 데이터로 연산 후, AC에 저장
```
// decode, execution
T0 : MAR ← IR(Addr)
T1 : MBR ← M[MAR]
T2 : AC ← AC + MBR
```
Write Back: 실행결과를 저장

현 컴퓨터의 CPU 명령어 구조

명령어 세트 : CPU가 실행할 명령어의 집합
opcode + operand의 구조
연산코드(opcode)는 연산, 제어, 데이터전달, 입출력 기능을 가진다.
피연산자(operand, argument)는 주소(저장위치), 숫자/문자, 논리데이터 등을 저장한다.
CPU는 프로그램을 실행하기위해 메모리(주기억장치)에서 명령어를 순차적으로 인출하여 해독하고 실행하는 과정을 반복한다.
CPU가 메모리(주기억장치)에서 한번에 하나의 명령어를 인출하여 실행하는데 필요한 일련의 과정을 '명령어 사이클'이라고 한다.
명령어 사이클은 인출/실행/간섭/인터럽트 사이클로 나눠진다.
메모리에 지정된 주소에서 하나의 명령어를 가져오고, 실행 사이클에서는 명령어를 실행한다.하나의 명령어 실행이 완료되면 그다음 명령어에 대한 인출 사이클이 시작된다.