[신입 개발자 전공 지식 & 기술 면접 백과사전] Computer Architecture : 중앙처리장치(CPU) 작동 원리

Computer Architecture🖥

목차 ✔
- 컴퓨터 구조 기초
- 컴퓨터의 구성
- 중앙처리장치(CPU) 작동 원리
- 캐시 메모리
- 고정 소수점 & 부동 소수점
- 패리티 비트 & 해밍 코드 
- ARM 프로세서

 

3. 중앙처리장치(CPU) 작동 원리

• 연산장치 + 제어장치 + 레지스터로 구성

연산장치(ACU:Arithmetic and Logical Unit)

• 명령어를 실행하기 위한 산술연산(덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈)과 논리연산(논리곱, 논리합, 부정)을 수행
• 연산에 필요한 데이터를 레지스터에서 가져오고 이에 대한 연산 결과를 다시 레지스터로 보냄

제어장치(CU:Control Unit)

• 명령어를 순서대로 실행할 수 있도록 제어하는 장치
• 주기어장치에서 프로그램 명령어를 꺼내 해독하고, 그 결과에 따라서 명령어 실행에 필요한 제어 신호를 연산장치, 기억장치, 입출력장치로 보냄
• 연산장치, 기억장치, 입출력장치가 보낸 신호를 받아, 다음에 수행할 동작을 결정

레지스터(Register)

• 소규모 고속 기억장치
• 명령어 주소, 코드, 연산에 필요한 데이터, 연산 결과 등을 임시로 저장
• 메모리 계층의 최상위 위치, 가장 빠른 속도로 접근 가능
• 중앙처리장치 종류에 따라 사용할 수 있는 레지스터 개수와 크기가 다름
• 용도에 따라 범용 레지스터와 특수 목적 레지스터로 구분
  • 범용 레지스터 : 연산에 필요한 데이터나 연산 결과를 임시로 저장
  • 특수 목적 레지스터 : 특별한 용도로 사용하는 레지스터

특수 목적 레지스터 중 중요한 것들

• MAR(메모리 주소 레지스터) : 읽기와 쓰기 연산을 수행할 주기억장치 주소 저장
• PC(프로그램 카운터) : 다음에 수행할 명령어 주소 저장
• IR(명령어 레지스터) : 현재 실행 중인 명령어 저장
• MBR(메모리 버퍼 레지스터) : 주기억장치에서 읽어온 데이터 혹은 저장할 데이터 임시 저장
• AC(누산기) : 연산 결과 임시 저장
• SP(스택 포인터) : 스택의 최상위 주소를 저장

CPU의 동작 과정

1️⃣ 주기억장치는 입력장치에서 입력받은 데이터 또는 보조기억장치에 저장된 프로그램을 읽어옴

2️⃣ CPU는 프로그램을 실행하기 위해 주기억장치에 저장된 프로그램 명령어와 데이터를 읽어와 처리하고 결과를 다시 주기억장치에 저장

3️⃣ 주기억장치는 처리 결과를 보조기억장치에 저장하거나 출력장치로 보냄

4️⃣ 제어장치는 1 ~ 3의 과정에서 명령어가 순서대로 실행되도록 각 장치를 제어

 

명령어 세트

• CPU가 실행할 명령어의 집합
• 연산 코드(Operation Code) + 피연산자(Operand)
  • 연산코드(Operation Code) : 실행할 연산으로 연산, 제어, 데이터 전달, 입출력 기능을 가짐
  • 피연산자(Operand) : 필요한 데이터 혹은 저장 위치로 주소, 문자 및 숫자, 논리 데이터 등을 저장
• CPU는 프로그램을 실행하기 위해 주기억장치에서 명령어를 순차적으로 인출하여 해독하고 실행하는 과정을 반복
• CPU가 주기억장치에서 한번에 하나의 명령어를 인출하여 실행하는데 필요한 일련의 활동을 명령어 사이클이라고 함
  • 명령어 사이클(Instruction Cycle)
    • 인출 사이클 → 간접 사이클 → 실행 사이클 → 인터럽트 사이클
    • 주기억장치의 지정된 주소에서 하나의 명령어를 가져오고(인출 사이클), 실행 사이클에서는 명령어를 실행
    • 간접 사이클은 간접주소가 지정이 된 겨후에 유효 주소를 계산하기 위해서 주기억장치에 접근
    • 인터럽트 사이클은 인터럽트 발생 시 인터럽트 처리를 위한 단계
    • 하나의 명령어 실행이 완료되면 그 다음 명령어에 대한 인출 사이클이 시작

인출 사이클과 실행 사이클에 의한 명령어 처리 과정

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

1️⃣ PC에 저장된 주소를 MAR(메모리 주소 레지스터)로 전달(T0) -> 저장된 내용을 토대로 주기억장치의 해당 주소에서 명령어 인출

2️⃣ 인출한 명령어를 MBR(메모리 버퍼 레지스터)에 저장(T1) -> 다음 명령어를 인출하기 위해 PC 값 증가시킴(T1) 이는 명령어를 순서대로 읽어오기 위해서임

3️⃣ MBR(메모리 버퍼 레지스터)에 저장된 내용을 IR(명령어 레지스터)에 전달(T2)

 

인출한 이후, 명령어를 실행하는 과정

• ADD addr 명령어 연산
• 이미 인출이 진행되고 명령어만 실행하면 되기 때문에 PC를 증가할 필요가 없음

1️⃣ MBR의 저장될 데이터와 기억장치 주소를 MAR로 전달(T0)

2️⃣ 저장할 데이터를 MBR로 전달(T1) -> IR에 MBR의 값이 이미 저장된 상태를 의미함

3️⃣ MBR 데이터아 AC 내용을 더하여 AC에 저장(T2) -> 따라서 AC에 MBR을 더해주기만 하면 됨

 

 

 

 

 

출처 : https://github.com/gyoogle/tech-interview-for-developer