CPU와 메모리

YooSeok2·2022년 7월 29일

중앙처리장치(CPU)

설명

'기계어 명령어'를 해독하고 해당 명령어를 수행하기 위해 세부 작업을 실행한다.

기본적으로 제어 명령, 연산 수행의 역할을 한다. 내부 모듈에는 산술/논리 연산 장치(ALU: Arithmetic and Logic Unit), 제어 장치(CU: Control Unit), 레지스터(Register)가 있고 이들을 내부 버스(internal bus)로 연결한다.

산술/논리 연산 장치

CPU 내부에서 산술 연산과 논리 연산을 수행한다.

산술 연산 : 사칙연산을 말한다.

1비트 덧셈기(가산기)를 만들고, 이를 확장해 뺄셈, 곱셈, 나눗셈을 수행한다.
논리 연산 : 논리값(0과 1)을 사용하는 연산이다.

산술 연산기보다 쉽게 구현할 수 있고 더 빠르다

제어 장치

제어 장치(CU)는 처리할 명령어들을 해석하고, 명령어 수행에 필요한 제어 신호를 생성해 모듈에게 보낸다. 명령어, CPU 상태 신호, 클럭을 입력으로 받는다.

레지스터

실제 연산에 사용되는 데이터와 CPU의 상태를 저장하는 공간이다.

메인 메모리로부터 불러온 데이터를 저장하기위한 임시 저장공간이다. CPU가 연산중에 필요한 상태를 보관하는 공간으로 쓰인다.

레지스터는 간단한 연산은 직접 수행한다. 대표적인 연산은 시프트, 로테이트가 있다. 레지스터가 연산할 떄에는 산술/논리 연산 장치를 거치지 않기 때문에 빠르다.

버스

버스는 CPU, 주 기억 장치, 외부 입출력 장치 사이의 정보를 전송하는 전기적 통로이다.

버스 구성

데이터 버스(Data Bus) : 주 기억 장치와 CPU, 입출력 장치와 주 기억 장치, CPU 내부 모듈들 간의 데이터가 이동하는 경로
주소 버스(Address Bus) : CPU가 사용하려는 데이터의 주소가 이동하는 경로
제어 버스(Control Bus) : 기억 장치 읽기/쓰기, 입출력 장치 입력/출력, 버스 중재(Bus Arbitration), 인터럽트와 같은 제어 신호들이 이동하는 경로

버스 중재(Bus Arbitration)
버스에 연결된 장치들이 동시에 버스를 사용하려고 할 때 이들을 중재하는 역할을 한다.

버스는 위치에 따라 CPU의 내부에 위치하면 내부 버스(internal), CPU와 주 기억 장치, 입출력 장치를 연결하는 외부 버스로 나뉜다.

메모리

1. 주 기억 장치

CPU에 의해 실행될 프로그램과 데이터가 저장되는 곳이다. 주 기억 장치는 RAM과 ROM으로 나눈다.

RAM(Random Access Memory) : 전원을 차단하면 저장된 내용이 지워지는 휘발성 메모리다. 대부분의 개인용 컴퓨터 메인 메모리에 사용된다. Random Access는 어느 주소든지 동일한 속도로 데이터에 접근해 사용할 수 있다는 의미다.
ROM(Random Access and Read Only Memory) : 전원을 차단해도 저장된 내용이 지워지지 않는 비휘발성 메모리다. Random Access 특성을 가지고 있으며, 내용을 유지시키기 위해 ROM 내의 데이터는 읽을 수만 있고 보통은 변경할 수 없게 한다. 이러한 특성으로, 주로 기본 입출력 시스템(BIOS), 자가 진단 프로그램(POST), 부트스트랩 로더(Bootstrap Loader)들을 저장한다.

주 기억 장치의 특징들

수행할 프로그램은 주 기억 장치에 있어야 한다.
프로세서가 직접 접근할 수 있는 유일한 대용량 저장 장치다.
워드의 배열로 구성되어 있으며, 각 워드는 자신의 주소를 가진다.
CPU와의 상호 작용은 주 기억 장치로부터 CPU 레지스터로 워드를 이동시키는 load(read)나 레지스터의 내용을 주 기억 장치로 이동시키는 store(write) 명령으로 수행한다.

2. 보조 기억 장치

보조기억 장치는 주 기억 장치보다 느리지만 전원을 차단해도 내용을 유지시킨다. 그리고 단위 비용 당 저장 용량이 크다.

보조 기억 장치들

자기 테이프 : 초기 컴퓨터들의 저장 매체로 많이 사용했다.
자기 디스크 : 주기억 장치의 확장용으로 매우 큰 프로그램과 자료를 장기간 저장하는 용도로 사용한다.
SSD(Solid State Disk) : 플래시 메모리를 이용한 보조 기억장치다.

SSD 특징
① 하드 디스크보다 빠르고, 크기가 작다.
② 전력 소비가 적고, 충격에 강하다
③ 쓰기보다 읽기가 더 빠르다.
④ 읽기와 쓰기 횟수가 한정적이다.