중앙처리장치(CPU)
-
Central Processing Unit으로 컴퓨터 시스템에 부착된 모든 장치의 동작을 제어하고 명령을 실행하는 장치임
-
이를 하나씩 알아본다면
제어장치(Control Unit)
-
컴퓨터에 있는 모든 장치들의 동작을 지시하고 제어하는 장치임, 명령 레지스터에서 읽어들인 명령어를 해독하여 해당하는 장치에게 제어 신호를 보내 정확하게 수행하도록 지시함
-
명령어의 실행(Instruction Cycle)단계는 인출, 간접, 실행, 인터럽트 단계로 나눌 수 있음
인출(Fetch)
- 메모리에서 데이터를 로드하여 CPU에 있는 레지스터에 적재하는 과정
간접(Indirect)
-
메모리를 참조할 때 간접주소 방식을 사용하는 경우에 실행
-
간접주소란 CPU가 메모리를 참조했을 때 데이터가 존재하는 것이 아니라 메모리에 주소가 존재하여 메모리 내에서 한 번 더 조회해서 데이터를 얻는 것
실행(Execute)
- 명령과 데이터로 CPU가 산술 및 논리연산을 수행하는 것
인터럽트(Interrupt)
-
컴퓨터 작동 중 예기치 않은 문제 발생 시 업무 처리가 계속 될 수 있도록 하는 컴퓨터 운영체제의 한 기능으로, 크게 하드웨어 인터럽트, 소프트웨어 인터럽트로 나뉨
-
하드웨어 인터럽트 : 기계착오 인터럽트, 외부 인터럽트, 입출력 인터럽트, 프로그램 검사 인터럽트
-
소프트웨어 인터럽트 : CPU 내부에서 자신이 실행한 명령이나 CPU의 명령 실행에 관련된 모듈이 변환하는 경우 발생
명령어 실행 단계?, 간접주소 방식?
명령어 실행 단계
명령어 실행 단계에 대해서 각 단계를 위와 같이 나누어진다고 서술했는데 이 명령어 실행 사이클을 내부적으로 본다면 Fetch 사이클 + Execute 사이클로 이루어짐
Fetch 사이클은 메모리로부터 명령어와 데이터를 processor로 가져오는 단계이고 Execute 사이클은 processor가 수행하는 단계임
이 과정은 명령어 인출 -> 명령어 해독 -> 데이터 인출 -> 데이터 처리 -> 데이터 저장의 단계로 이루어짐
명령어 인출에서는 명령어 주소를 계산하고 그 주소에 가서 명령어를 가져오는 단계를 수행함
명령어 해독에서는 어떻게 수행, 동작시킬지 결정하고 이와 관련해서 피연산자 위치를 계산해서 불러오는 데이터 인출을 함
이 연산을 수행하는 데이터 처리 그리고 마지막으로 그 결과를 어디에 저장할 지 데이터 저장과정으로 진행됨
이에 대해서 CPU 명령어가 각각의 내부 특수 목적 레지스터에서 해당 과정이 Fetch, Execute Cycle에 맞게 유기적으로 처리됨
간접주소 방식
명령어 주소 지정 방식에 있어서 명령어는 연산코드와 유효주소로 이루어짐
유효주소는 데이터가 저장된 기억장치의 실제주소를 말함
여기서 말하는 간접 주소 방식은 간접 주소 지정 방식으로 명령어의 주소 필드에 유효주소의 주소가 저장되어 있어서 직접 주소 지정 방식에선 명령어의 주소 필드가 유효주소인 것과 다른 방식인 것임
그래서 직접 주소를 쓰는 방식이 아닌 한 번 더 접근해서 처리하는 간접적인 방식을 의미함
연산장치(ALU; Arithmetic & Login Unit)
-
제어장치의 명령에 따라 실제로 연산을 수행하는 장치임
-
연산장치가 수행하는 연산에는 산술연산, 논리연산, 관계연산, 시프트 연산등이 있음
-
연산장치는 가산기, 누산기(AC; Accumulator), 보수기, 데이터 레지스터, 오버플로 검출기, 시프트 레지스터 등으로 구성됨, 여기서 레지스터를 제외하고 다른 것들을 알아본다면
가산기(Adder)
- 누산기와 레지스터의 값을 더하여 그 결과를 누산기에 보관하는 회로(반가산기(half adder)와 전가산기(full adder)존재)
누산기(Accumulator)
- 연산장치를 구성하는 중심이 되는 레지스터, 사칙 연산, 논리 연산등의 중간 결과를 기억
오버플로 검출기
- 가산기의 결과가 해당 레지스터의 용량을 초과했을 때 검출해 주는 회로
보수기
- 음수를 보수로 변환, 1의 보수 방식과 2의 보수 방식 존재
연산장치의 수행 과정은?
그러면 이 연산장치 수행 연산을 본다면 아래와 같이 이루어짐
제어장치의 제어신호 받음 -> 주기억 장치에서 데이터를 가져와 레지스터에 저장 -> 새로운 데이터가 있을 경우에는 주기억 장치에서 가져와 저장 -> 누산기에 있는 값과 데이터 레지스터에 있는 값을 이용해 연산 실행 -> 상태 정보를 확인하여 상태 레지스터에 상태 정보를 저장 -> 가산 결과를 누산기에 저장 -> 주기억 장치로 결과 전달
레지스터(Register)
-
CPU 내부에서 처리할 명령어나 연산의 결과나 주소 등을 일시적으로 기억하는 임시 기억 장소
-
메모리 중에서 속도가 가장 빠름
-
레지스터에 새로운 데이터가 전송되면 기존에 있던 내용은 지워지고 새로운 내용만 기억
-
레지스터는 연산 속도를 향상하기 위해 사용
-
여러가지 레지스터가 존재함
프로그램 카운터(PC; Program Counter)
- 다음에 수행할 명령어가 저장된 주기억장치의 번지를 지정하는 레지스터
명령 레지스터(IR; Instruction Register)
- 현재 실행중인 명령의 내용을 기억하는 레지스터
누산기(AC; Accumulator)
- 연산된 결과를 일시적으로 저장하는 레지스터로 연산의 중심이 됨
상태 레지스터(Status Register)
-
Program Status World Register, 플래그 레지스터(Flag Register)라고도 함
-
시스템 내부의 순간 순간의 상태가 기록된 정보를 PSW라고 함
-
오버플로, 언더플로, 자리올림, 인터럽트 등의 PSW를 저장하고 있는 레지스터
-
제어장치와 연산장치의 실행 순서를 제어하기 위해 사용되는 레지스터
메모리 주소 레지스터(Memory Address Register)
- 기억장치를 출입하는 데이터의 번지를 기억하는 레지스터
메모리 버퍼 레지스터(Memory Buffer Register)
-
기억장치를 출입하는 데이터가 잠시 기억되는 레지스터
-
버퍼 레지스터라고도 함
인덱스 레지스터(Index Register)
- 주소의 변경, 서브루틴 연결 및 프로그램에서의 반복 연산의 횟수를 세는 레지스터
데이터 레지스터(Data Register)
- 연산에 사용될 데이터를 기억하는 레지스터
Shift Register
- 클럭 펄스에 의해서 기억된 내용을 왼쪽 또는 오른쪽으로 1bit씩 자리를 이동시키는 레지스터(2배 길이 레지스터라고도 함)
버스
-
CPU, 메모리, I/O 장치 등과 상호 필요한 정보를 교환하기 위해 연결된 공동의 전송선
-
버스를 통해 전달되는 제어신호, 주소 신호 및 데이터 신호의 상호 시간적 관계가 유지됨
번지 버스(Address Bus)
- CPU가 메모리나 입출력기기의 번지를 지정할 때 사용하는 단방향 전송선
자료 버스(Data Bus)
- CPU와 메모리 또는 입출력기기 사이에서 데이터를 전송하는 양방향 전송선
제어 버스(Control Bus)
- CPU의 현재 상태나 상태 변경을 메모리 또는 입출력장치에 알리는 제어신호를 전송하는데 사용하는 양방향 전송선
내부 버스
- CPU 및 메모리 내에 구성된 버스
외부 버스
- 주변 입출력 장치에 구성된 버스
