CPU

컴퓨터 시스템을 이루는 구성요소로 CPU, 주기억장치인 메모리 그리고 보조 기억 장치인 디스크와 씨디 등임을 앞서 학습했다. 여기에 I/O((입출력장치)까지 추가 된다면 그것을 컴퓨터를 이루는 기본 골격이라고 할 수 있는데, 이것을 제안한 사람이 폰 노이만이다.

폰 노이만이 제안한 폰 노이만 구조는, 중앙 처리 장치(CPU)라는 것이 있고 이 중앙 처리 장치를 통해서 연산을 수행하게 되는 구조이며 이 CPU(중앙처리 장치)는 각종 연산을 수행하고 기억장치에 기억되어 있는 명령어들을 수행하는 컴퓨터 시스템을 이루는 핵심 부품이다. CPU는 컴퓨터 시스템의 가장 중요한 요소이므로 이번에는 이 CPU의 구조를 알아보도록 하겠다.

CPU의 구조

CPU 의 내부 구성은 크게 산술/논리 연산 장치(ALU), 제어 장치와 레지스터로 구성되어 있다. 산술은 덧셈을 수행하는 것이고, 제어 장치는 시그널을 통해서 데이터 흐름을 통제하는 것이며 레지스터는 CPU 내부의 메모리임이 가장 기본적인 설명이다.

산술/논리 연산 장치 (Arithmetic Logic Unit, ALU)

산술논리연산장치(ALU: Arithmetic Logic Unit)는 산술적인 연산과 논리적인 연산을 담당하는 장치로 가산기, 보수기, 누산기, 기억 레지스터, 데이터 레지스터 등으로 구성된다. 캐시나 메모리로부터 읽어 온 데이터는 레지스터(Register)라는 CPU 전용의 기억장소에 저장되며, ALU는 레지스터에 저장된 데이터를 이용하여 덧셈, 곰셈 등과 같은 산술 연산을 수행한다. 부동소숫연산장치(FPU)와 정수연산장치, 논리연산(AND, OR 등)장치 등이 있다.

레지스터(Register)

레지스터(Register)는 중앙처리장치(CPU) 내부에 있는 기억장치이다. 주로 산술 연산 논리장치에 의해 사용되는 범용 레지스터(General-Purpose Register)와 PC 등 특수 목적에 사용되는 전용 레지스터(Dedicated-Purpose Register)로 구분할 수 있다.

레지스터의 종류는 IR(Instruction Register), PC(Program Counter), AC(Accumulator)가 있다.

IR (Instruction Register) : 현재 수행 중에 있는 명령어 부호를 저장하고 있는 레지스터
PC (Program Counter) : 명령이 저장된 메모리의 주소를 가리키는 레지스터
AC (Accumulator) : 산술 및 논리 연산의 결과를 임시로 기억하는 레지스터

제어장치(Control Unit, CU)

제어장치는 CPU가 자신 및 주변기기들을 컨트롤하는 장치로, 프로그램의 수행 순서를 제어하는 프로그램 계수기(program counter), 현재 수행중인 명령어의 내용을 임시 기억하는 명령 레지스터(instruction register), 명령 레지스터에 수록된 명령을 해독하여 수행될 장치에 제어신호를 보내는 명령해독기(instruction decoder)로 이루어져 있다.

제어 장치 구현의 방식은 고정 배선 제어(Hardwired) 방식과 Micro Program 방식이 있다.

CPU의 기능

CPU의 기능은 명령어와 데이터에 관련이 있다. 명령어 인출 및 해독은 모든 명령어들에 대하여 공통적으로 수행하며 기억 장치로부터 명령어를 읽어온다. 그리고 데이터 인출 및 처리, 쓰기와 같은 것들은 명령어에 따라 필요할 때만 수행한다. 이 명령어 및 명령어 수행 과정과 처리 방식은 CPU에서 중요한 부분을 차지하고 있다.

명령어

명령어는 시스템이 특정 동작을 수행시키는 작은 단위이다. 명령어는 코드로 되어 있는데, 동작코드(Op-code : Operational Code)와 오퍼랜드(Operand)로 구성되어 있다.

동작 코드(Op-code): 각 명령어의 실행 동작을 구분하여 표현한다.
오퍼랜드(Operand): 명령어의 실행에 필요한 자료나 실제 자료의 저장 위치를 의미한다.

명령어 수행 과정

CPU 가 하나의 명령(Operation)을 처리하는 과정은 다음과 같다.

• 읽기(Fetch Instruction, FI): 메모리에서 명령을 가져온다.
• 해석(Decode Instruction, DI): 명령을 해석한다.
• 실행(Execute Instruction, EI): 명령을 수행한다.
• 기록(Write Back, WB): 수행한 결과를 기록한다.

명령어 처리 방식

명령어 처리 방식에는 RISC와 CISC가 있다. RISC(Reduced Instruction Set Computer)는 컴퓨터 내부적으로 사용하는 명령어 세트를 단순화 시켜서 처리하는 형태의 구조이며, 단순한 명령을 조합해서 하나의 기능을 수행하게 된다. CISC(Complex Instruction Set Computer)는 하나의 기능에 해당하는 하나의 명령이 있는 개념이라고 생각하면 된다.

CISC

• 여러 사이클로 명령어를 처리한다.
• 많은 명령어가 메모리를 참조하는 처리 방식이다.
• 파이프라이닝의 사용이 어렵다.
• 복잡한 마이크로 프로그램 구조를 갖고 있다.

RISC

• 하나의 사이클로 명령어를 처리한다.
• 메모리 Load / Store 명령만 처리하는 방식이다.
• 파이프라이닝, 슈퍼스칼라의 사용이 가능하다.
• 복잡한 컴파일러 구조를 갖고 있다.