Central Processing Unit

컴퓨터 시스템을 이루는 3 대 구성이 있다면 CPU, 메리 그리고 디스크이다. 여기에 I/O 까지 추가 된다면 그것을 컴퓨터를 이루는 기본 골격이라고 할 수 있는데, 이것을 제안한 것이 폰 노이만이다. 주요 특징은 명령어 → 데이터 로드 → 실행 → 저장을 순차적으로 수행하는 것과 데이터/프로그램을 하나의 버스로 접근하는 구조이다. 폰 노이만 구조는 중앙 처리 장치라는 것이 있고 이 중앙 처리 장치를 통해서 연산을 수행하게 되는 구조이다. 이 CPU(중앙처리 장치)는 각종 연산을 수행하고 기억장치에 기억되어 있는 명령어들을 수행하는 컴퓨터 시스템을 이루는 핵심 부품이다.

CPU의 속도 Hz, Clock

CPU는 수를 계산하는 칩정도로 생각하면 된다. 원리가 덧셈기와 같이 동작한다. 컴퓨터의 성능을 CPU의 속도와 메모리의 용량으로 표현할 수 있다. 시스템내의 CPU 에 전기적으로 공급되는 신호를 Clock 이라고 하는데, 이것은 주기적으로 일정한 시그널을 보내주는 칩이다. Clock 에서는 일정 볼트로 주기적으로 신호를 발생한다. 그러면 CPU 는 이 신호를 받고 데이터를 주거나 받고 처리하게 된다. 전기적 신호 한번에 의해서 CPU에서는 한개의 명령을 처리한다. CPU 의 속도를 Hz 로 나타내고 이 Hz 가 높으면 속도가 빠른 성능의 CPU 가 되는 것이다. 그래서 주사율이 높은 모니터를 쓰려면 CPU의 성능이 좋아야 하나보다.

CPU의 구성도

CPU 의 내부 구성은 크게 산술/논리 연산 장치(ALU), 제어 장치와 레지스터로 구성되어 있다. 산술은 덧셈을 수행하는 것이고, 제어 장치는 시그럴을 통해서 데이터 흐름을 통제하는 것이며 레지스터는 CPU 내부의 메모리이다.

• Instruction Fetcher
  • 컴퓨터의 프로세서(Processor)**에서 명령어(Instruction)를 가져오는 역할을 하는 컴포넌트이다. 프로세서는 프로그램의 명령어를 실행하기 위해 메모리에서 명령어를 가져와야 하는데, 이 과정이 Instruction Fetch라고 불린다.
• Instruction Decoder
  • 읽어들인 명령어에 대해 수행할 동작을 결정하기 위해 명령어를 해독한다.
• Register
  • 프로세서에 위치한 고속 메모리로써 매우 적은 소량의 데이터나 자주 사용되는 결과값들을 미리 저장해두는 공간이다. 프로세서가 빠르게 레지스터를 참조하여 작업 속도를 증가시키는데 목적이 있다.
• ALU
  • 산술 논리 장치의 경우에는 덧셈, 뺄셈과 같은 단순 산순연산부터 베타적 논리합, 논리곱과 같은 논리 연산을 수행한다.

명령어 구조

명령어는 시스템이 특정 동작을 수행시키는 작은 단위이다. 명령어는 코드로 되어 있는데 아래와 같이 동작코드(Op-code: Operation Code)와 오퍼랜드(Operand)로 구성되어 있다.

• 명령어 = 동작코드 _ 오퍼랜드
• 동작코드 : 각 명령어의 실행 동작을 구분하여 표현
• 오퍼랜드 : 명령어의 실행에 필요한 자료나 실제 자료의 저장 위치

명령어 수행 과정

• CPU가 하나의 명령(Operation)을 처리하는 과정은 다음과 같다.
• FI → DI → EI → WB
• 읽기(Fetch Instruction): 메모리에서 명령을 가져온다.
• 해석(Decode Instruction): 명령을 해석한다.
• 실행(Execute Instruction): 명령을 수행한다.
• 기록(Wrtie Back): 수행한 결과를 기록한다.

Program Counter는 Fetch 할 다음의 명령어 주소를 갖고 있다. (여기저기서 Fetch가 정말 많이 등장하는데 Fetch는 가져오다라는 어원을 가지고 있다. ) 프로세스는 PC(ProgramCounter)가 가리키는 주소위치에서 명령어를 가져오면서 PC를 증가시키고 명령문은 Instruction Register에 Load 된다. 그리고 Load된 명령어는 Execute Cycle Fetch 과정에서 가져온 명령어를 실제 ALU(가산기)에서 처리하게 된다.

Reference

나의 뇌

https://en.wikipedia.org/wiki/Arithmetic_logic_unit https://www.techtarget.com/whatis/definition/arithmetic-logic-unit-ALU