CPU 작동 원리

CPU의 구성

CPU는 크게 연산장치 , 제어장치 , 레지스터 로 구성된다.

연산장치 (ALU) 요약

• 산술연산과 논리연산을 수행한다.

  그래서 산술논리연산장치라고도 불린다.

• 연산에 필요한 데이터를 레지스터 에서 가져오고, 연산 결과를 다시 레지스터 로 보낸다.
  • CPU 내부 버스를 통해, ALU 와 레지스터 가 통신한다.

제어장치 (Control Unit) 요약

• 명령어를 순서대로 실행할 수 있도록 제어하는 장치이다.
  즉 컴퓨터 전체를 작동시키는 엔진 역할을 한다.
• 주기억장치에서 프로그램 명령어를 꺼내 해독하고, 그 결과에 따라 명령어 실행에 필요한 제어 신호를 기억장치, 연산장치, 입출력장치 로 보낸다.
• 여러 장치가 보낸 신호를 받아, 다음에 수행할 동작을 결정한다.

레지스터 요약

• 고속 기억장치

  컴퓨터에 존재하는 기억장치 중 가장 빠르다.

• 명령어 주소, 코드, 연산에 필요한 데이터, 연산 결과 등을 임시로 저장한다.
• 용도에 따라 범용 레지스터 와 특수목적 레지스터 로 구분된다.
  • 범용 레지스터 : 연산에 필요한 데이터나 연산 결과를 임시로 저장하는 레지스터
  • 특수목적 레지스터 : 특별한 용도로 사용하는 레지스터
• 주요 특수목적 레지스터
  • MAR (메모리 주소 레지스터)
    • 읽기와 쓰기 연산을 수행할 주기억장치의 주소를 저장한다.
    • 시스템 버스 중 하나인 주소 버스 에 연결된 유일한 레지스터이다.
    • 따라서 주소 정보를 가져올 때, 무조건 MAR을 사용해야 한다.
  • PC (프로그램 카운터)
    • 다음에 수행할 명령어의 주소를 저장한다.
  • IR (명령어 레지스터)
    • 현재 실행 중인 명령어를 저장한다.
  • MBR (메모리 버퍼 레지스터)
    • 주기억장치에서 읽어온 데이터 혹은 저장할 데이터를 임시로 저장한다.
  • AC (누산기)
    • 연산 결과를 임시로 저장한다.

CPU의 동작 과정

동작 과정 개요

1. 주기억장치는 입력장치에서 입력받은 데이터 나, 보조기억장치에 저장된 프로그램 을 읽어온다.
2. CPU는 프로그램을 실행하기 위해, 주기억장치에 저장된 프로그램 명령어와 데이터 를 읽어와 처리하고, 처리결과 를 다시 주기억장치에 저장한다.
3. 주기억장치는 처리 결과 를 보조기억장치에 저장하거나 출력장치로 보낸다.

CPU의 제어장치가 위 과정을 순서대로 실행하도록 장치들을 제어한다.

명령어 세트란?

명령어 세트란, CPU가 실행할 명령어의 집합이다.

명령어는 아래와 같이 구성된다

• 연산 코드 (OpCode)
  • 실행할 연산
• 피연산자 (Operand)
  • 필요한 데이터 or 저장 위치

명령어 처리 구조 (명령어 사이클)

명령어 사이클 이란, CPU가 하나의 명령어를 처리하는 과정을 뜻한다.

명령어 사이클 은 크게 아래와 같이 구분할 수 있다.

1. 인출
   • 수행할 다음 명령어를 가져온다.
2. 실행
   • 가져온 명령어를 실행한다.
   • 만약 실행 이후에, 인터럽트가 발생하지 않았다면 다시 “인출” 전단계로 돌아간다.
3. 인터럽트
   • 어떠한 예외가 발생하여, 기존의 프로세스가 중단된 상태
   • 인터럽트를 처리하기 위해, 인터럽트 서비스 루틴 (ISR) 을 호출한다.
     • 인터럽트 서비스 루틴 (ISR) : 인터럽트를 처리하기 위한 명령어들의 모음
   • 인터럽트가 처리되었다면, 다시 “인출” 전단계로 돌아간다.

아래는 인터럽트가 포함된 명령어 사이클의 상태도이다.

명령어 인출 과정

1. PC 에 저장된 주소를 MAR (기억장치 주소 레지스터) 로 옮긴다.

   MAR 은 시스템 버스 중 주소 버스에 연결된 유일한 레지스터이다.

2. ‘MAR 로 옮겨진 주소’에 저장된 명령어를 주기억장치에서 인출한다.
3. 인출한 명령어를 MBR (기억장치 버퍼 레지스터) 에 저장한다.
4. 다음 명령어를 인출하기 위해 PC 값 (다음 명령어의 주소) 을 1 증가시킨다.
5. MBR 에 저장된 명령어를 IR (명령어 레지스터) 에 전달한다.

[T0]
MAR ← PC

[T1]
MBR ← Main Memory ('MAR로 옮긴 주소'에 저장된 명령어 데이터)
PC ← PC + 1

[T2]
IR ← MBR

명령어 실행 과정

ADD AC, B 명령어를 실행하는 과정을 예로 들어 설명하겠다.

1. IR 에 저장된 “Operand(피연산자)인 B 데이터가 저장된 주소” 를 MAR 로 옮긴다.
2. ‘MAR 로 옮겨진 B의 주소’로 주기억장치에 접근하여, B 데이터를 MBR 로 옮긴다.
3. AC + B 연산 결과를 AC 에 저장한다.

[T0]
MAR ← IR (Operand B의 주소)

[T1]
MBR ← Main Memory ('MAR로 옮긴 B의 주소'에 저장된 데이터)

[T2]
AC ← AC + MBR

이미 인출이 진행되었고, 명령어만 실행하면 되기 때문에 PC 의 값은 건드릴 필요가 없다.

인터럽트 처리 과정

1. 현재 수행 중인 프로그램 실행을 중단하고, 그 문맥 (context) 를 저장한다.
   • 문맥 : 현재 수행 중인 상태 (PC , 연산결과 등의 값)
2. PC 에 인터럽트 처리기 루틴 (ISR)의 시작주소를 세팅한다.
   • PC 에는 항상 다음 명령어의 주소가 저장된다.
   • 인터럽트를 처리하기 위해 ISR 이 다음에 수행되어야 하므로, PC 에 ISR 의 시작주소를 세팅해야 한다.
3. ISR 을 수행하며 인터럽트를 처리한다.
4. ISR 을 모두 처리한 후, 문맥을 복원하고 인터럽트된 기존 프로그램을 다시 수행한다.

인터럽트가 필요한 이유

• 인터럽트를 사용하여, 프로세서를 효율적으로 사용할 수 있다.

• 인터럽트가 없는 경우, I/O 작업에 대해 CPU는 아래와 같이 동작할 것이다.

  

  • CPU는 무조건 모든 작업을 순차적으로(동기적으로) 수행해야 한다.
  • 따라서 I/O 장치가 작업을 마칠 때까지 기다린 후, 다음 작업을 수행한다.

• 인터럽트가 있는 경우, 아래와 같이 동작할 수 있다.

  

  • 인터럽트가 있다면, CPU가 비동기적으로 작업을 할 수 있다.
  • I/O 장치에게 일을 맡기고 다음 작업을 이어서 수행할 수 있다.
  • 만약 I/O 장치의 작업이 종료되면, 인터럽트를 통해 CPU에게 이 사실을 알려주고, 필요한 추가 작업(인터럽트 처리)을 먼저 수행할 수 있다.