메모리에는 특정 프로그램이 실행되는 동안 명령어와 데이터 등 여러 프로그램이 메모리에 올라갈 수 있다. cpu에서는 메모리의 명령어를 가져오는 작업(fetch)를 하고, 명령어를 처리하기 위한 과정이 일어난다.
CPU는 컴퓨터의 가장 핵심적인 역할을 수행하는 부분으로 크게 연산장치, 제어장치, 레지스터 3종류로 구분된다.
연산장치
산술논리연산을 수행(산술논리연산장치)하며 연산에 필요한 데이터를 레지스터에서 가져오고 연산결과를 다시 레지스터에 보낸다.
제어장치
명령어를 순서대로 실행할 수 있도록 제어하는 장치다. 주기억장치에서 프로그램 명령어를 꺼내 해독하고 그 결과에 따라 명령어 실행에 필요한 제어신호를 기억장치와 연산장치, 입출력장치로 보낸다. 또한 이들 장치가 보낸 신호를 받아서 다음에 수행할 동작을 결정한다.
레지스터
고속 기억장치다. 명령어 주소, 코드, 연산에 필요한 데이터, 연산결과를 임시로 저장하며 용도에 따라 범용 레지스터와 특수목적 레지스터로 구분된다. 중앙처리장치 종류에 따라 사용할 수 있는 레지스터 갯수와 크기가 다르다.
- 범용 레지스터 : 연산에 필요한 데이터나 연산결과를 임시로 저장한다.
- 특수목적 레지스터 : 특별한 용도로 사용하는 레지스터
특수목적 레지스터에서 중요한 것
- MAR(메모리 주소 레지스터) : 읽기와 쓰기 연산을 수행할 주기억장치 주소 저장
- PC(프로그램 카운터) : 다음에 수행할 명령어 주소 저장
- IR(명령어 레지스터) : 현재 실행중인 명령어를 저장
- MBR(메모리 버퍼 레지스터) : 주기억장치에서 읽어온 데이터/저장할 데이터를 임시저장한다.
- AC(누산기) : 연산결과를 임시로 저장한다.
CPU 동작과정
- 주기억장치는 입력장치에서 입력받은 데이터나 보조기억장치에 저장된 프로그램을 읽어온다.
- CPU는 프로그램을 실행하기 위해 주기억장치에 저장된 프로그램 명령어와 데이터를 읽어와서 처리하고 주기억장치에 저장한다.
- 주기억장치는 처리결과를 보조기억장치에 저장하거나 출력장치로 보낸다.
- 제어장치는 1~3과정에서 명령어가 순서대로 실행되도록 각 장치를 제어한다.
명령어 세트
CPU가 실행할 명령어 집합을 말한다.
명령어는 연산코드와 피연산자로 이뤄진다. 연산코드:실행할 연산, 피연산자:필요한 데이터/저장위치
CPU는 프로그램 실행을 위해 주기억장치에서 명령어를 순차적으로 인출해 해독하고 실행하는 과정을 반복한다. cpu가 주기억장치에서 한번에 하나의 명령어를 인출해서 실행하는데 필요한 일련의 활동을 '명령어 사이클'이라고 한다.
명령어 사이클은 인출 사이클-실행 사이클-간접 사이클-인터럽트 사이클로 나눠진다.
주기억장치의 지정된 주소에서 하나의 명령어를 가져오고 실행사이클에서 명령어를 실행한다. 실행이 완료되면 그 다음 명령어에 대해 인출 사이클을 시작한다.
인출 사이클과 실행사이클에 의한 명령어 처리과정
1) 인출 사이클
인출사이클에서 가장 중요한 부분은 pc의 값 증가이다.
- pc에 저장된 주소를 MAR로 전달
- 저장된 내용을 토대로 주기억장치의 해당주소에서 명령어를 인출한다.
- 인출한 명령어를 MBR에 저장한다.
- 다음 명령어를 인출하기 위해 PC값 증가
- MBR에 저장된 내용을 IR에 전달
T0 : MAR <= PC
T1 : MBR <= M[MAR], PC<=PC+1
T2 : IR <= MBR
2) 실행사이클
ADD addr : 명령어 연산을 말한다.
T0 : MAR <= IR(Addr)
T1 : MBR <= M[MAR]
T2 : AC <= AC + MBR
이미 인출이 진행되었고 명령어는 실행하기만 하면 되므로 PC를 증가할 필요는 없다. IR에 MBR의 값이 이미 저장된 상태를 의미하므로 AC에는 MBR을 더해주기만 하면된다.
