[컴퓨터구조] CPU 구조와 기능 - 기본 구조(ALU, Register, Control Unit) / CPU 레지스터(PC, AC, IR, MAR, MBR) / 명령어 실행(인출 사이클, 실행 사이클, 인터럽트 사이클 ISR, 간접 사이클)

CH2. CPU의 구조와 기능

 

CPU가 수행하는 세부적인 동작들의 순서

 

((3)~(5) 과정은 명령어에 따라 필요한 경우에만 동작 수행)

 

(1) 명령어 인출(Instruction Fetch) : 기억장치로부터 명령어를 읽어옴

(2) 명령어 해독(Instruction decode): 수행해야 할 동작을 결정하기 위해 명령어를 해독

(3) 데이터 인출(Data Fetch): 명령어 실행을 위해 데이터가 필요한 경우, 기억장치(Main Memory-RAM) 혹은 I/O장치(키보드, 파일 등)로부터 데이터를 읽어옴

(4) 데이터 처리(Data Process): 데이터에 대한 산술/논리 연산 수행
(5) 데이터 저장(Data Store): 수행 결과를 저장

 

 

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2.1 CPU의 기본 구조

1. ALU(산술 논리 연산 장치 - Arithmetic and Logical Unit)

- 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈 / AND, OR, NOT

2. Register(레지스터) - 엑세스 속도가 컴퓨터의 기억장치들 중 가장 빠른 CPU 내부의 기억장치

3. Control Unit(제어 유닛) - 명령어를 해석하고, 이를 실행하기 위한 제어 신호들을 순차적으로 발생

• 정보들의 전송 통로와 방향 지정
• 동작 시간 결정

4. CPU internal bus(CPU 내부 버스) - ALU와 레지스터들 간의 데이터 이동을 위한 데이터 선, 제어 유닛으로부터 발생되는 제어 신호 선들로 구성된 내부 버스

• 외부 시스템 버스와는 반드시 버퍼 레지스터 혹은 시스템 버스 인터페이스 회로를 통하여 연결됨

 

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2.2 명령어 실행

 

명령어 사이클(instruction cycle) : CPU가 한 개의 명령어를 실행하는 데 필요한 전체 처리 과정

 

1. 인출 사이클(fetch cycle) - CPU가 기억 장치로부터 명령어를 읽어 오는 단계

2. 실행 사이클(execution cycle) - 명령어를 실행하는 단계

 

 

명령어 실행에 필요한 CPU 내부 레지스터들

 

1) PC(프로그램 카운터 - Program Counter)

• 다음에 인출할 명령어의 주소를 가지고 있는 레지스터
• 각 명령어 인출 이후, 자동적으로 일정 크기(한 명령어의 길이-64비트, 32비트) 만큼 증가
• 분기(branch) 명령어가 실행되는 경우 목적지 주소로 갱신

2) AC(누산기 - Accumulator)

• 데이터를 일시적으로 저장하는 레지스터(tmp 변수를 담는 버퍼 역할)
• 레지스터의 길이는 CPU가 한 번에 처리할 수 있는 데이터 비트수(단어 길이)와 동일

3) IR(명령어 레지스터 - Instruction Register)

• 가장 최근에 인출된 명령어 코드가 저장되어 있는 레지스터

4) MAR(기억장치 주소 레지스터 - Memory Address Register)

• PC에 저장된 명령어 주소가 시스템 주소 버스로 출력되기 전에 일시적으로 저장되는 주소 레지스터

5) MBR(기억장치 버퍼 레지스터 - Memory Buffer Register)

• 기억장치에 쓰여질 데이터, 혹은 읽혀진 데이터를 일시적으로 저장하는 버퍼 레지스터

 

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인출 사이클

 

1) MAR <- PC

2) MBR <- M[MAR], PC <- PC + 1

3) IR <- MBR

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실행 사이클

 

명령어 코드를 해독(decode)하고 그 결과에 따라 필요한 연산들을 수행

 

연산의 종류

• 데이터 이동
• 데이터 처리
• 프로그램 제어

기본적인 명령어 형식의 구성

- 연산 코드(operation code): CPU가 수행할 연산을 지정

- 오퍼랜드(operand): 명령어 실행에 필요한 데이터가 저장된 주소(addr)

 

1. LOAD addr

 

2. ADD addr

 

3. JUMP addr

 

어셈블리 프로그램의 실행 과정 예

 

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인터럽트 사이클

 

인터럽트 : 프로그램 실행 중에 CPU의 현재 처리 순서를 중단시키고 다른 동작을 수행하도록 요구하는 시스템 동작

ISR (인터럽트 서비스 루틴 - Interrupt Service Routine) : 인터럽트를 처리하기 위해 수행되는 프로그램 루틴

 

인터럽트 처리 과정

 

인터럽트 사이클의 연산 과정 

 

 

다중 인터럽트(multiple interrupt) : ISR을 수행하는 동안에 또다른 인터럽트 발생

 

다중 인터럽트의 처리 방법

 

1. 새로운 인터럽트 수행 방지

2. 인터럽트의 우선 순위에 따라 처리

 

 

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간접 사이클

 

명령어에 포함되어 있는 주소를 이용하여 그 명령어 실행에 필요한 데이터의 주소를 인출하는 사이클

-> 간접 주소지정 방식(indirect addressing mode)에서 사용

 

 

1) MAR <- IR(addr)

2) MBR <- M[MAR]

3) IR(addr) <- MBR

 

인출된 명령어의 주소 필드 내용을 이용하여 기억 장치로부터 데이터의 실제 주소를 인출하여 IR 주소 필드에 저장하는 방식이다.