Sunny's Tech Blog

CPU의 구성

(1) 연산장치 (=산술논리연산장치)

- 산술 연산, 논리 연산 수행

- 연산에 필요한 데이터를 레지스터에서 가져오고, 연산 결과를 다시 레지스터로 보냄

(2) 제어장치

- 명령어를 순서대로 실행할 수 있도록 제어

- 주기억장치에서 프로그램 명령어를 꺼내와 해독하고, 결과에 따라 명령어 실행에 필요한 제어 신호를 기억장치, 연산장치, 입출력장치로 보냄

(3) 레지스터

- 고속 기억장치

- 명령어 종류, 코드, 연산에 필요한 데이터 및 결과 등을 임시적으로 저장

- 용도에 따라 범용 레지스터, 특수 목적 레지스터로 구분

특수 목적 레지스터

• 메모리 주소 레지스터(MAR, Memory Address Register) : 읽기와 쓰기 연산을 수행할 주기억장치의 주소를 저장
• 프로그램 카운터(PC, Program Counter) : 다음에 수행할 명령어의 주소를 저장
• 명령어 레지스터(IR, Instruction Register) : 현재 실행 중인 명령어를 저장
• 메모리 버퍼 레지스터(MBR, Memory Buffer Register) : 주기억장치에서 읽어온 데이터나 주기억장치에 저장할 데이터를 임시로 저장
• 누산기(AC, Accumulator) : 연산 결과를 임시로 저장

CPU의 동작 과정

1. 입력장치에서 입력받은 데이터 또는 보조기억장치에 저장된 프로그램을 주기억장치가 읽어옴

2. CPU는 프로그램을 실행하기 위해 주기억장치에 저장된 프로그램 명령어와 데이터를 읽어와 처리하고, 결과를 다시 주기억장치에 저장 (명령어 사이클 수행 - 아래 참조)

3. 주기억장치는 처리 결과를 보조기억장치에 저장하거나 출력장치로 보냄

4. 제어장치는 명령어가 순서대로 실행되도록 각 장치를 제어

명령어 세트

- CPU가 실행할 명령어의 집합

- 연산 코드(Operation Code) + 피연산자(Operand) 로 구성

  * 연산 코드: 실행할 연산

  * 피연산자: 필요한 데이터 또는 저장 위치

명령어 사이클

- CPU는 프로그램 실행을 위해 주기억장치에서 명령어를 순차적으로 인출하여 해독하고 실행하는 과정을 반복

- CPU가 주기억장치에서 한번에 하나의 명령어를 인출하여 실행하는데 필요한 일련의 활동을 '명령어 사이클' 이라고 함

- 명령어 사이클은 인출, 실행, 간접, 인터럽트 사이클로 나누어짐

주기억장치의 지정된 주소에서 하나의 명령어를 가져오고(인출 사이클), 실행 사이클에서는 명령어를 실행 → 하나의 명령어 실행이 완료되면 그 다음 명령어에 대한 인출 사이클 시작

< 인출 사이클과 실행 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
• 인출 사이클 이후에는 실행 사이클 수행 → 명령어만 실행하면 되기 때문에 PC를 증가할 필요없이 IR에 저장된 MBR의 값을 AC에 더해주기만 하면 됨

* PC (Program Counter, 프로그램 카운터) : 다음에 수행할 명령어의 주소를 저장

* MAR (Memory Address Register, 메모리 주소 레지스터) : 주기억장치의 주소를 저장

* MBR (Memory Buffer Register, 메모리 버퍼 레지스터) : 주기억장치 관련 데이터 임시 저장 공간

* IR (Instruction Register, 명령어 레지스터) : 현재 실행 중인 명령어 저장

* AC (Accumulator, 누산기) : 연산 결과를 임시로 저장

컴퓨터 시스템 =  소프트웨어 + 하드웨어

• 소프트웨어 : 하드웨어의 동작을 지시하고 제어하는 명령어의 집합
• 하드웨어 : 컴퓨터를 구성하는 기계적 장치

컴퓨터 구조란?

하드웨어를 구성하는 각 장치의 특성과 동작 원리를 다루는 학문

- 하드웨어는 중앙처리장치(CPU), 기억장치(Memory), 입출력장치(I/O)로 구성

- 각 장치는 시스템 버스로 연결

중앙처리장치(CPU)

- 인간의 두뇌와 같은 역할
- 주기억장치에서 프로그램 명령어와 데이터를 읽어와 처리
- 명령어 수행 순서 제어

- 소형 컴퓨터에서는 중앙처리장치를 마이크로프로세서라고도 함

- 세부 구성
   (1) ALU (Arithmetic and Logic Unit)

       → 산술논리연산장치

       → 비교와 연산을 담당

   (2) CU (Control Unit)

       → 제어장치 : 각 컴퓨터 구성요소를 제어할 제어신호를 생성하여 관리

       → 명령어 해석과 실행 담당

   (3) Register

       → 속도가 빠른 데이터 기억장소

       → 명령어를 실행하기 위해 필요한 데이터와 상태, 명령어를 저장  

   (4) Internal Bus (내부버스)

       → CPU 내부의 구성요소 간 데이터 전달과 연결을 위한 경로

CPU 작동 원리 관련 내용은 해당 포스팅 참조

→ https://ynsseon.tistory.com/8

기억장치

- 프로그램, 데이터, 연산의 중간 결과값 등을 저장하는 장치
- 주기억장치와 보조기억장치로 나눠짐

     (1) 주기억장치

         → 현재 CPU가 처리하고 있는 내용을 저장하는 기억장치

         → RAM과 ROM이 존재

* RAM (Random Access Memory) : 휘발성 메모리, 읽고 쓰기 모두 가능, 응용 프로그램 및 운영체제 등을 불러와 CPU가 작업할 수 있도록 하는 기억장치

* ROM (Read Only Memory) : 비휘발성 메모리, 기억된 데이터를 읽기만 가능한 장치, 데이터 저장 후 반영구적으로 사용 가능

     (2) 보조기억장치

         → 물리적인 디스크가 연결되어 있는 기억장치

         → 데이터를 영구적으로 보관 가능

         → HDD(Hard Disk Driver), SSD(Solid State Driver) 존재

- CPU는 Store / Load 방식으로 주기억장치에 액세스

     (1) 적재(Load)    CPU Register ☜ 기억장치

        → 주소버스를 통해 CPU가 요구하는 데이터의 주소값과 제어 버스를 통해 Read 신호가 기억장치에 전달

        → 기억장치에 저장된 데이터를 읽어 CPU의 레지스터로 적재

     (2) 저장(Store)    CPU Register ☞ 기억장치

        → 주소 버스를 통해 특정 주소와 제어버스를 통해 Write 신호가 기억장치에 전달

        → CPU의 레지스터에서 기억장치의 특정 주소에 데이터를 저장

입출력장치

- 입력장치와 출력장치로 나눠짐
- 입력장치 : 키보드, 마우스, 조이스틱 등
- 출력장치 : 프린터, 모니터, 스피커 등

시스템버스

- 하드웨어 구성 요소를 물리적으로 연결하는 선
- 각 구성 요소가 다른 구성 요소로 데이터를 보낼 수 있는 통로
- 용도에 따른 분류
  (1) 데이터 버스

     * 중앙처리장치 ↔ 기억장치, 입출력장치 (양방향 버스)

     * 컴퓨터 구성 요소 간에 데이터를 전달함

  (2) 주소 버스

     * 중앙처리장치 → 주기억장치, 입출력장치 (단방향 버스)

     * 기억 장치의 주소 또는 입출력 장치의 포트번호를 지정하고 전달

     * 데이터를 정확히 실어 나르기 위해서는 기억장치의 '주소'를 정해주어야 함 

  (3) 제어 버스

     * 컴퓨터 구성 요소간에 제어 신호를 전달함 (양방향 버스)

     * 제어 신호에는 기억장치 읽기 및 쓰기, 버스 요청 및 승인, 인터럽트 요청 및 승인, 클락, 리셋 등이 있음