CPU 작동 원리

최근에 수업을 들으면서 집에도 컴퓨터를 하나 사면 좋을 것 같다는 생각이 들어 구입을 했는데 너무 만족스럽다..
CPU는 인텔 12400f 를 구매했다. 가성비로 좋은 제품 중 하나라고 한다.
첫 컴퓨터하는 과정에서 많은 검색을 하다보니 자연스레 하드웨어에도 관심이 생겼다

자세한 내용은 몰랐지만 이제는 이쪽을 공부하다 보니 자세히 알아두면 좋을 것 같아 공부하는겸 정리했다.

CPU란?

CPU란 중앙처리장치(CPU)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 장치이다.

CPU의 구성요소

1. 제어 장치(CU, Control Unit)

• 컴퓨터 시스템의 작동을 통제하고 지시하는 장치
• 기억 장치로부터 프로그램 명령을 순차적으로 꺼내 해독하고, 해석에 따라서 명령어 실행에 필요한 제어 신호를 기억장치, 연산장치, 입출력 장치 등으로 보내는 장치
• 프로그램 카운터(PC), 명령 해독기, 부호기, 명령 레지스터 등으로 구성된다.

2. 연산 장치(ALU, Arithmetic and Logical Unit)

• 명령어를 실행하기 위한 마이크로 연산을 수행하는 장치
• 연산에 필요한 자료를 입력받아 산술, 논리, 관계, 이동 등 다양한 연산을 수행하는 장치
• 가산기, 보수기, 누산기 데이터 레지스터 등으로 구성된다.

3. 레지스터(Register)

• CPU(중앙 처리 장치)내에 있는 소규모의 고속 기억 장치
• 명령어 주소, 코드, 연산에 필요한 데이터, 연산 결과 등을 임시로 저장한다.
• 레지스터는 메모리 계층의 최상위에 위치하며 가장 빠른 속도로 접근 가능한 메모리이다.
• 용도에 따라 범용 레지스터와 특수 목적 레지스터로 구분된다.

특수 목적 레지스터의 종류

• MAR(메모리 주소 레지스터): 일긱와 쓰기 연산을 수행할 주 기억 장치 주소를 저장
• PC(프로그램 카운터): 다음에 실행될 명령어의 주소를 저장
• SP(스택 포인터): 스택의 최상위 주소를 저장
• IX(인덱스 레지스터): 명령어를 호출해서 해독하기 위해 현재 명령어를 임시로 저장
• MBR(메모리 버퍼 레지스터): 주 기억 장치의 내용을 임시로 저장하는 역할
• AC(누산기): 산술 논리 장치의 연산 결과를 임시로 저장
• PSR(프로그램 상태 레지스터): CPU의 현재 상태 정보를 저장

CPU의 동작 과정

1. 보조 기억 장치에서 저장된 프로그램을 읽거나, 입력장치에서 입력받은 데이터를 주 기억 장치에서 읽는다.
2. 주 기억 장치에서 읽어온 데이터를 중앙처리장치(CPU)가 읽고 처리한 후 다시 주 기억 장치로 보낸 후 저장한다.
3. 주 기억 장치는 연산된 데이터를 출력장치에 보내거나 보조 기억 장치에 저장한다.
4. 제어장치는 1~3 과정에서 명령어가 순서대로 실행되도록 각 장치를 제어한다.

CPU의 연산

CPU의 연산 순서에 따라 정리했다.

1. FETCH(인출): 메모리상의 프로그램 카운터(PC)가 가리키는 명령어를 CPU로 인출하여 적재
2. DECODE(해석): 명령어의 해석. 이 단계에서 명령어의 종류와 타겟 등을 판단한다.
3. EXECUTE(실행): 해석된 명령어에 따라 데이터에 대한 연산을 수행한다.
4. WRITEBACK(쓰기): 명령어대로 처리 완료된 데이터를 메모리에 기록한다.

명령어 세트

CPU가 실행할 명령어의 집합
<연산 코드(Operation Code) + 피연산자(Operand)로 이루어짐>
연산 코드: 실행할 연산
피연산자: 필요한 데이터 or 저장 위치

연산 코드

• 연산 기능 : 사칙연산, 이동(shift), 보수 등의 산술연산과 논리곱, 논리합, 부정 등의 논리연산을 수행한다.
• 제어 기능 : 조건 분기와 무조건 분기 등을 사용하여 명령어의 실행 순서를 제어한다.
• 데이터 전달 기능 : 레지스터와 레지스터 사이, 레지스터와 주기억장치 사이에서 데이터를 전달한다.
• 입출력 기능 : 프로그램과 데이터를 주기억장치에 전달하고, 연산 결과는 출력장치에 전달한다.

피연산자

• 주소 : 기억장치 혹은 레지스터의 주소가 저장된다.
• 숫자/문자 : 숫자는 정수, 고정 소수점 수, 부동 소수점 수 및 각각의 코드로 저장되고 문자는 아스키코드로 저장된다.
• 논리 데이터 : 참 또는 거짓을 표현할 때 사용하며 비트나 플래그로 저장된다.

CPU는 프로그램 실행하기 위해 주기억장치에서 명령어를 순차적으로 인출하여 해독하고 실행하는 과정을 반복한다.
CPU가 주기억장치에서 한번에 하나의 명령어를 인출하여 실행하는데 필요한 일련의 활동을 '명령어 사이클' 이라고 말한다.


명령어 사이클은 인출/실행/간접/인터럽트 사이클로 나뉜다.


주기억장치의 지정된 주소에서 하나의 명령어를 가져오고, 실행 사이클에서는 명령어를 실행한다. 하나의 명령어 실행이 완료되면 그 다음 명령어에 대한 인출 사이클 시작한다.

인출 사이클과 특수 목적 레지스터의 동작 과정

인출 사이클과 실행 사이클에 의한 명령어 처리 과정

<인출 사이클에서 가장 중요한 부분은 PC(프로그램 카운터) 값 증가>

• PC에 저장된 주소를 MAR로 전달한다.
• 저장된 내용을 토대로 주기억장치의 해당 주소에서 명령어 인출한다.
• 인출한 명령어를 MBR에 저장한다.
• 다음 명령어를 인출하기 위해 PC 값 증가 시킨다.
• 메모리 버퍼 레지스터(MBR)에 저장된 내용을 명령어 레지스터(IR)에 전달한다.

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

인출하기까지의 과정

인출한 이후, 명령어를 실행하는 과정
<ADD addr 명령어 연산>

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

이미 인출이 진행되고 명령어만 실행하면 되기 때문에 PC를 증가할 필요없다.
IR에 MBR의 값이 이미 저장된 상태를 의미한다.
따라서 AC에 MBR을 더해주기만 하면 된다.

출처: https://hongcoding.tistory.com/139?category=981717