중앙처리장치(CPU) 작동 원리

중앙처리장치(CPU)란?

CPU(Central Processing Unit)는 명령어의 해석과 자료의 연산, 비교 등의 처리를 제어하는 컴퓨터 시스템의 핵심장치이다.

다양한 입력 장치로부터 정보를 입력받아 처리한 후, 그 결과를 출력장치로 보내는 일련의 과정을 제어하고 조정하는 일을 수행한다.

CPU는 사람의 두뇌와 같이 컴퓨터의 모든 시스템을 제어, 처리하는 가장 핵심적인 장치라고 할 수 있다.

 

CPU 구성요소

출처: https://velog.io/@meongkune/%EC%A4%91%EC%95%99%EC%B2%98%EB%A6%AC%EC%9E%A5%EC%B9%98CPU-%EC%9E%91%EB%8F%99-%EC%9B%90%EB%A6%AC

CPU는 크게 연산장치, 제어장치, 레지스터 3가지로 구성되어 있다. 구성 요소들은 내부 버스로 서로 연결되어 있다.

연산(처리) 장치

• 산술연산과 논리연산 수행 (산술논리연산장치(ALU)라고도 불린다)
• 연산에 필요한 데이터를 레지스터에서 가져오고 연산 결과를 다시 레지스터로 보내는 역할 수행
• 산술/논리 연산장치, 레지스터 세트(범용 레지스터, 특수 레지스터), 내부 버스로 구성됨

제어 장치

• 명령어를 순서대로 실행할 수 있도록 제어하는 장치
• 주기억장치에서 프로그램 명령어를 꺼내 해독하고, 그 결과에 따라 명령어 실행에 필요한 제어 신호를 기억장치, 연산장치, 입출력장치로 보냄
• 이들 장치가 보낸 신호를 받아, 다음에 수행할 동작을 결정함
• 프로그램 카운터, 명령어 레지스터, 명령어 해독기(타이밍 회로, 제어논리)로 구성됨

레지스터(Register)

CPU에서는 주기억장치로부터 읽어 온 명령어와 데이터를 임시적으로 보관할 수 있는 장치가 필요하며, ALU에서 처리된 결과 데이터를 임시로 보관할 수 있는 저장장치도 필요한데, 이를 임시적으로 저장하는 장치

• 고속 기억장치로 명령어 주소, 코드, 연산에 필요한 데이터, 연산 결과 등을 임시로 저장
• 중앙처리장치 종류에 따라 사용할 수 있는 레지스터 개수와 크기가 다름
• 용도에 따라 범용 레지스터와 특수목적 레지스터로 구분됨

범용 레지스터

연산에 필요한 데이터나 연산 결과를 임시로 저장

 

데이터를 연사할 때 메모리로부터 데이터를 인출할 경우 호출시간이 많이 걸리기 때문에 CPU 내부의 레지스터에 데이터를 기억시켜 두고 연산한다.

특수목적 레지스터

특별한 용도로 사용하는 레지스터

1) 주소를 기억하는 레지스터

• MAR (메모리 주소 레지스터) : 읽기와 쓰기 연산을 수행할 주기억장치 주소를 저장
• PC (프로그램 카운터) : 다음에 실행될 명령어의 주소를 저장
• SP (스택 포인터) : 스택의 최상위 주소를 저장

2) 데이터를 기억하는 레지스터

• IR (명령어 레지스터) : 명령어를 호출해서 해독하기 위해 현재 명령어를 임시로 저장
• MBR (메모리 버퍼 레지스터) : 주기억장치의 내용을 임시로 저장하는 역할
• AC (누산기) : 산술 논리 장치의 연산 결과를 임시로 저장

내부버스

• CPU의 내부버스는 산술/논리장치(ALU)와 레지스터 간의 데이터 전송을 위한 데이터 버스와 제어장치로부터 발생하는 제어신호를 위한 버스로 구성됨
• 내부버스는 입출력장치나 기억장치와 같은 외부장치에 데이터 전송을 하기 위해 시스템 버스인 주소버스, 데이터 버스, 제어버스를 이용함
• 내부버스는 시스템 버스와 직접 연결되지 않으며 버퍼 레지스터나 시스템 버스 인터페이스 회로를 통해 시스템 버스와 연결됨

CPU의 동작 과정

출처: https://velog.io/@meongkune/%EC%A4%91%EC%95%99%EC%B2%98%EB%A6%AC%EC%9E%A5%EC%B9%98CPU-%EC%9E%91%EB%8F%99-%EC%9B%90%EB%A6%AC

1. 주기억장치는 입력장치에서 입력받은 데이터 또는 보조기억장치에 저장된 프로그램 읽어옴
2. CPU는 프로그램을 실행하기 위해 주기억장치에 저장된 프로그램 명령어와 데이터를 읽어와 처리하고 결과를 다시 주기억장치에 저장
3. 주기억장치는 처리 결과를 보조기억장치에 저장하거나 출력장치로 보냄
4. 제어장치는 1~3 과정에서 명령어가 순서대로 실행되도록 각 장치를 제어

명령어 세트

CPU가 실행할 명령어들의 집합으로 실행할 연산을 나타내는 연산코드와 연산에 필요한 데이터나 데이터의 저장 위치를 나타내는 피연산자로 구성된다.

• 연산코드는 연산, 제어, 데이터 전달, 입출력기능을 가진다.
• 피연산자는 주소, 숫자, 문자, 논리데이터를 저장한다.
• CPU가 주기억장치에서 한번에 하나의 명령어를 인출하여 실행하는데, 이러한 일련의 활동을 '명령어 사이클' 이라고 한다.

명령어 사이클

CPU에서는 프로그램을 실행하기 위해 주기억장치에서 명령어를 순차적으로 인출하여 해독하고 실행하는 과정을 반복하는데, CPU가 주기억장치에서 한 번에 하나의 명령어를 인출하여 실행하는데 필요한 일련의 활동을 명령어 사이클 (Instruction Cycle)이라고 한다.

명령어 사이클은 인출 사이클, 실행 사이클, 간접 사이클, 인터럽트 사이클로 세분화 시킬 수 있는데, 인출 사이클과 실행 사이클은 항상 수행되지만 / 간접 사이클과 인터럽트 사이클은 주소 지정방식이 필요할 때나 인터럽트 요구가 있을 때만 수행된다.

인출 사이클에 의한 명령어 처리 과정

• PC에 저장된 주소를 MAR로 전달
• 저장된 내용을 토대로 주기억장치의 해당 주소에서 명령어 인출
• 인출한 명령어를 MBR에 저장
• 다음 명령어를 인출하기 위해 PC 값 증가시킴
• 메모리 버퍼 레지스터(MBR)에 저장된 내용을 명령어 레지스터(IR)에 전달

T0 : MAR ← PC
T1 : MBR ← M[MAR], PC ← PC+1
T2 : IR ← MBR

실행 사이클에 의한 명령어 처리 과정

• 명령어 레지스터(IR)의 내용을 메모리 주소 레지스터(MAR)로 전달한다.
• 메모리에 저장된 데이터 값을 메모리 버퍼 레지스터(MBR)에 저장한다.
• 누산기(AC)에 저장된 값에 ADD연산을 실행한다.

T0 : MAR <- IR(Addr)
T1 : MBR <- M[MAR]
T2 : AC <- AC + MBR

인출 사이클과 다르게 실행 사이클에서는 프로그램 카운터(PC)를 증가시키지 않는데, 이미 인출이 진행 되고 명령어 실행만 하면 되는 상황이기 때문에 프로그램 카운터를 증가시킬 필요가 없다.
즉, 이미 인출이 되어 명령어 레지스터(IR)에 메모리 버퍼 레지스터(MBR)의 값이 저장된 상태라는 의미함. 따라서 AC에 MBR을 더해주기만 하면 된다.

요약

1. CPU는 컴퓨터의 중앙처리장치로, 메모리에 저장된 명령어를 읽고 해석하여 실행하는 역할을 한다.
2. CPU는 크게 연산을 담당하는 ALU, 전체 흐름을 제어하는 제어장치, 그리고 데이터를 임시 저장하는 레지스터로 구성되어 있다.
3. CPU는 명령어 사이클에 따라 동작합니다.
   먼저 프로그램 카운터(PC)가 가리키는 주소의 명령어를 메모리에서 가져오고(Fetch), 이를 해석한 뒤(Decode), ALU를 통해 연산을 수행하고(Execute), 결과를 레지스터나 메모리에 저장한다.
4. 이 과정에서 PC, MAR, MBR, IR 같은 레지스터들이 사용되어 명령어의 주소와 데이터, 실행 흐름을 관리한다.
5. 이러한 과정을 반복하면서 프로그램이 실행된다.