[컴퓨터구조] CPU 3가지 구성요소에 대해 알아보자.

CPU는 메모리에 저장된 명령어를 읽어 들이고 읽어 들인 명령어를 해석하고 실행하는 부품을 여러 개 포함하는 부품이다.

CPU는 산술논리 연산장치, 레지스터, 제어장치로 구성된다.

 

컴퓨터구조

 

1. 산술논리 연산장치 (ALU)

ALU는 계산을 수행하는 CPU의 핵심 부품이다.

ALU는 산술 연산과 논리 연산, 두 가지 주요 작업을 처리한다.

 

1.1 받아들이는 정보

• 피연산자: 레지스터로부터 받아들인다.
• 제어 신호: 제어장치로부터 받아들이며 수행할 연산을 알려준다.

 

1.2 내보내는 정보

• 연산을 수행한 결과는 특정 숫자나 문자가 될 수도 있고 메모리 주소가 될 수도 있다.
• 이 결괏값은 바로 메모리에 저장되지 않고 일시적으로 레지스터에 저장된다.
• ALU는 계산 결과와 더불어 플래그(추가 정보)를 보낸다.

ALU 구조

 

1.3 플래그

플래그는 연산 결과에 대한 추가적인 상태 정보를 말한다.

플래그들은 플래그 레지스터라는 레지스터에 저장된다.

 

• 플래그 레지스터
  • 부호 플래그: 1이면 연산 결과가 음수, 0이면 연산 결과가 양수
  • 제로 플래그: 1이면 연산 결과가 0, 0이면 연산 결과가 0이 아닌 수
  • 캐리 플래그: 1이면 올림수나 버림수가 발생했고, 0이면 발생하지 않음
  • 오버플로우 플래그: 1이면 오버플로우 발생, 0이면 발생하지 않음
  • 인터럽트 플래그: 1이면 인터럽트 가능, 0이면 인터럽트 불가능
  • 슈퍼바이저 플래그: 1이면 커널 모드로 실행 중, 0이면 사용자 모드로 실행 중

 

1.4 내부 구조

• 입력 레지스터: 처리할 데이터를 보관한다.
• 연산 회로: 산술 및 논리 작업을 수행하는 하드웨어 회로(가산기, 논리 게이트 등)이다.
• 결과 레지스터: 연산 결과를 저장하며 이 데이터는 이후 명령어 처리에 사용되거나 메모리에 저장될 수 있다.

 

 

2. 레지스터

레지스터는 CPU 내부의 작은 임시 저장 장치이다.

프로그램을 실행하는 데 필요한 값들을 임시로 저장한다.

CPU 안에는 여러 개의 레지스터가 존재하고 각기 다른 이름과 역할을 가지고 있다.

 

2.1 종류

• 프로그램 카운터(명령어 포인터): 메모리에서 가져올(읽어 들일) 명령어의 주소를 저장하는 레지스터 
• 명령어 레지스터: 해석할(방금 메모리에서 읽어들인) 명령어를 저장하는 레지스터
  • 제어장치는 명령어 레지스터 속 명령어를 받아들이고 이를 해석한 뒤 제어 신호를 내보낸다.
• 메모리 주소 레지스터: 메모리의 주소를 저장하는 레지스터
  • CPU가 읽어 들이고자 하는 주소 값을 주소 버스로 보낼 때 메모리 주소 레지스터를 거치게 된다.
• 메모리 버퍼 레지스터: 메모리와 주고받을 값(데이터와 명령어)을 저장하는 레지스터
  • 메모리에 쓰고 싶은 값이나 메모리로부터 전달받은 값은 메모리 버퍼 레지스터를 거친다.
  • CPU가 주소 버스로 내보낼 값이 메모리 주소 레지스터를 거친다면, 데이터 버스로 주고 받을 값은 메모리 버퍼 레지스터를 거친다.
• 플래그 레지스터: 연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보를 저장하는 레지스터
• 범용 레지스터: 다양하고 일반적인 상황에서 자유롭게 사용할 수 있는 레지스터
  
  • 데이터와 주소를 모두 저장할 수 있다.
  • 일반적으로 CPU 안에는 여러 개의 범용 레지스터들이 있고, 현대 대다수 CPU는 모두 범용 레지스터를 가지고 있다.
• 스택 포인터:스택 주소 지정 방식에 사용되는 레지스터
  • 스택의 꼭대기를 가리키는 레지스터, 즉 스택에 마지막으로 저장한 값의 위치를 저장하는 레지스터
  • 쉽게 말해, 스택 포인터는 스택의 어디까지 데이터가 채워져 있는지에 대한 표시라고 보면 된다.
  • 메모리 안에 스택처럼 사용할 영역이 정해져 있다.
• 베이스 레지스터: 변위 주소 지정 방식에 사용되는 레지스터

 

2.2 동작

1. CPU는 명령어를 실행하기 위해 데이터를 메모리에서 가져온다.
2. 이 데이터를 레지스터에 저장한 후 ALU에서 처리한다.
3. 연산 결과는 다시 레지스터에 저장되거나 메모리로 전송된다.

 

 

3. 제어장치 

제어장치는 제어 신호라는 전기 신호를 내보내고 명령어를 해석하는 장치이다.

 

3.1 제어 신호

제어 신호란 컴퓨터 부품들을 관리하고 작동시키기 위한 일종의 전기 신호이다.

주로 CPU의 제어장치가 발생시키지만 CPU뿐만 아니라 입출력장치를 비롯한 CPU 외부 장치도 발생시킬 수 있다.

 

3.2 받아들이는 정보

• 클럭 신호
  • 클럭이란 컴퓨터의 모든 부품을 일사분란하게 움직일 수 있게 하는 시간 단위이다.
  • 클럭 주기에 맞춰 레지스터에서 다른 레지스터로 데이터가 이동되거나 ALU 연산이 수행된다.
  • 하나의 명령어가 여러 클럭에 걸쳐 실행될 수 있다.
• 해석해야 할 명령어
  • 명령어 레지스터로부터 해석할 명령어를 받아들이고 해석한 뒤, 제어 신호를 발생시켜 컴퓨터 부품들에 수행해야 할 내용을 알려준다.
• 플래그 레지스터 속 플래그 값
  • 플래그 값을 받아들이고 이를 참고하여 제어 신호를 발생시킨다.
• 시스템 버스의 제어 버스로 전달된 제어 신호
  
  • 제어장치는 제어 버스를 통해 외부로부터 전달된 제어 신호를 받아들인다.

 

3.3 내보내는 정보

• CPU 외부에 전달하는(제어 버스로 제어 신호를 내보내는) 제어 신호
  
  • 메모리에 전달하는 제어 신호: 메모리에 저장된 값을 읽거나 메모리에 새로운 값을 쓰고 싶으면
  • 입출력장치에 전달하는 제어 신호: 입출력장치의 값을 읽거나 입출력장치에 새로운 값을 쓰고 싶으면
• CPU 내부에 전달하는 제어 신호
  • ALU에 전달하는 제어 신호: 수행할 연산을 지시하기 위해
  • 레지스터에 전달하는 제어 신호: 레지스터 간에 데이터를 이동시키거나 레지스터에 저장된 명령어를 해석하기 위해

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