컴퓨터의 하드웨어 중 CPU를 구성하는 요소는 아래와 같다.
- ALU
- 제어장치
- Register
ALU
ALU는 그림과 같은 흐름을 가진다.
ALU는 계산을 처리하는 부품으로 Register를 통해 피연산자를 받아들이고 제어장치를 통해 제어 신호를 받아들여 연산을 수행한 후, 그 결과값과 flag를 Register에 반환한다.
Register에 반환하는 이유는 CPU가 memory에 직접 데이터를 전달하는 경우 CPU가 memory에 접근하는 속도가 Register에 접근하는 속도에 비해 느리기 때문에 memory에 더 자주 접근할 수록 CPU의 프로그램 실행 속도가 늦어지기 때문이다.
flag는 결과값에 대한 추가 정보를 표현하는데 사용되는데 결과값의 양수/음수 인지 혹은 연산 결과가 연산 결과를 담을 Register보다 더 큰지 등의 정보를 전달하는데 사용된다.
flag에 대한 내용은 아래와 같다.
| flag 종류 | 의미 |
|---|---|
| 부호 flag | 연산 결과의 부호를 나타낸다 |
| zero flag | 연산 결과가 0인지 여부를 나타낸다 |
| carry flag | 연산 결과 올림수나 빌림수가 발생했는지 나타낸다 |
| overflow flag | overflow가 발생했는지 나타낸다 |
| Interupt flag | interupt가 가능한지 나타낸다 |
| supervisor flag | Kernel mode 인지 User mode인지 나타낸다 |
이 flag들은 flag register에 저장되며 flag register를 읽으면 연산 결과에 대한 추가적인 정보를 확인할 수 있도록 한다.
제어장치
제어 장치의 흐름은 아래 그림과 같다.
제어 장치는 아래와 같은 정보를 받아들인다.
1. clock
clock의 주기에 맞춰 한 register에서 다른 register로 데이터가 이동되거나 ALU에서 연산이 실행되거나 CPU가 명령어를 읽어들인다.
물론 컴퓨터의 모든 부품이 한 clock마다 작동한다고 볼 수는 없다.
clock이라는 박자에 맞춰서 작동을 할 뿐 하나의 명령어가 여러 clock에 걸쳐 실행되는 경우도 있다.
2. 명령어
CPU가 해석할 명령어는 명령어 register라는 특수한 register에 저장된다.
제어장치는 이 명령어 register로부터 해석할 명령어를 받아들이고 해석한 뒤, 제어 신호를 발생시켜 각 부품들에 수행해야 할 내용을 알려준다.
3. flag
제어 신호를 통해 각 부품들을 제어하기 위한 flag값을 받아들이고 이를 참고해 제어 신호를 발생한다.
4. 제어 신호
제어 신호는 CPU뿐만 아니라 입출력장치를 비롯한 CPU 외부 장치도 발생시킬 수 있다.
제어장치는 제어 버스를 통해 외부로부터 전달된 제어 신호를 받아들이기도 한다.
이 신호들을 받아들이면 이를 통해 제어장치는 CPU 외부에 전달하는 제어 신호와 CPU 내부에 전달하는 제어 신호를 전달할 수 있다.
CPU 외부로 제어 신호를 전달한다는 것은 곧 제어 bus로 신호를 전달한다는 것과 같고, 이러한 제어 신호에는 memory에 전달하는 제어 신호와 입출력 장치에 전달하는 제어 신호 2가지 가 있다.
먼저 memory에 전달하는 제어 신호는 보통 memory의 값을 읽어오거나 memory에 새로운 값을 쓰는 경우 memeory로 제어 신호를 내보낸다.
그리고 입출력 장치의 값을 읽거나 입출력 장치에 새로운 값을 쓰는 경우에는 입출력 장치로 제어 신호를 보낸다.
CPU 내부로 전달하는 경우는 ALU에 전달하는 제어 신호와 register에 전달하는 제어 신호가 있고, ALU에는 수행할 연산을 지시하기 위해, register에는 register 간 데이터를 이동시키거나 register에 저장된 명령어를 해석하기 위해 제어 신호를 보낸다.
Register
프로그램에서 명령어와 데이터는 실행 전후 반드시 Register에 저장되는데, Register에 저장된 값을 잘 관찰한다면 프로그램의 실행 흐름을 파악할 수 있다.
즉, register 값을 관찰하면 CPU 내에서 어떤 일이 일어하는지 확인할 수 있다.
상용화된 CPU 속 register 들은 CPU마다 이름, 크기, 종류가 매우 다양하고 이들은 각 CPU의 공식 문서를 보면 확인 가능하다.
대부분의 CPU에서 공통적으로 포함하는 register는 아래와 같다.
-
Program counter
memory에서 읽어 들일 명령어의 주소를 저장한다.
IP라고 부르는 CPU도 있다. -
IR(Instruction Register)
방금 memory에서 읽어 들인 명령어를 저장하는 register.
제어장치는 명령어 register 속 명령어를 받아들이고 이를 해석한 뒤 제어 신호를 내보낸다. -
MAR(Memory Address Register)
Memory의 주소를 저장하는 register.
CPU가 읽어 들이고자 하는 주소 값을 주소 버스로 보낼 때 MAR을 거치게 된다. -
MBR(Memory Buffer Register)
Memory와 주고 받을 값(데이터 및 명령어)을 저장하는 register.
Memory에 쓰고 싶은 값이나 memory로부터 전달받은 값은 MAR을 거친다.
CPU가 Adress bus로 내보낼 값이 MAR을 거친다면, Data bus로 주고받을 값은 MAR을 거친다. -
General purpose register
다양하고 일반적인 상황에서 자유롭게 사용할 수 있는 reigster.
데이터와 주소 모두 저장 가능하며, 일반적으로 CPU에는 여러 general purpose register가 있고 현대 대다수 CPU는 모두 가지고 있다. -
flag register
ALU 연산 결과에 따른 flag를 flag register에 저장한다.
연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보를 저장하는 register.
레지스터를 이용한 주소 지정 방식
이전에 설명하지 못한 주소 지정 방식에 대해 추가적으로 설명한다.
- stack 주소 지정
stack과 stack pointer를 이용하는 주소 지정 방식.
stack의 꼭대기를 가리키는 register를 stack pointer라 하는데, memory의 stack 영역의 꼭대기를 가리키는 stack pointer를 이용해 주소를 지정한다.
- 변위 주소 지정
기존의 Operation Code + Operand 지정 형식이 아닌 Operation Code + register 값 + Operand 형식으로 그 주소를 지정하는 방식이며 아래 2가지 방식으로 나뉜다.
상대 주소 지정
Operand와 program counter의 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식.
예를 들어, program counter의 값에는 읽어들일 명령어의 주소가 있고, operand의 값이 -3이라면 실행하려는 명령어의 3칸 이전 번지의 명령어를 실행하는 것이다.
베이스 레지스터 주소 지정
operand와 base register의 값을 더해 유효 주소를 얻는 방식.
여기서 base register는 기준 주소이고 operand는 기준 주소로부터 떨어진 거리 로서의 역할을 한다.
즉, base register 속 기준 주소로부터 얼마나 멀리 떨어진 주소에 접근할 것인지를 연산하여 유효 주소를 얻어내는 방식이다.
CPU 별 실제 Register에 대해서는 아래 링크에 적혀있으니 후에 참고해볼것
https://github.com/kangtegong/self-learning-cs/blob/main/registers/registers.md
