[Computer Science] CPU 작동원리

CPU 작동원리

CPU 구성

• 연산 장치(ALU)
  • 산술 / 논리 연산 수행
  • 데이터를 레지스터에서 읽어오고 다시 레지스터에 결과를 저장
• 제어 장치
  • 명령어의 순서를 제어
  • 주기억장치에서 명령어를 가져와 해독 → 실행을 위한 신호를 기억/연산/입출력 장치로 전송
• 레지스터
  • 고속 기억 장치
  • 명령어 주소, 코드, 데이터, 결과 등을 임시 저장함
  • 종류
    • 범용 레지스터
      • 일반적인 데이터/연산결과 저장
    • 특수목적 레지스터
      • 특수 목적으로 사용되는 레지스터

특수목적 레지스터

• MAR(Memory Address Register) : 읽기/쓰기 수행하는 주기억장치 주소
• PC(Program Counter): 다음에 수행할 명령어 주소
• IR(Instruction Register): 현재 실행중인 명령어
• MBR(Memory Buffer Register): 주기억장치에서 읽거나 저장할 데이터 임시 저장
• AC(Accumulator 누산기): 연산 결과 임시 저장

CPU 동작 과정

1. 주기억장치에 입력장치에서 받은 데이터 or 보조기억장치(HDD)에 저장된 프로그램 로드
2. CPU에서 주기억장치의 프로그램 명령어 및 데이터 읽어와서 처리 후 결과를 주기억장치에 저장
3. 주기억장치가 처리결과를 보조기억장치 / 출력장치로 전송
4. 제어장치에서 1-3 과정의 명령어가 순서대로 실행되도록 제어

명령어 세트

명령어 사이클

• Operation code + operand로 구성
  • ex) add $3 $2
• operation code는 연산/제어/데이터전달/입출력
• operand는 값
• 명령어 사이클
  • 명령어 인출(instruction fetch)
    • CPU에서 명령어를 읽어옴
    1. 명령어가 저장된 주소 지정
       • MAR ← PC : PC에 저장된 주소를 MAR로 전송
    2. MAR 번지의 메모리 명령어를 MBR로 전송, PC는 다음 명령어 주소 준비
       • MBR ← M[MAR], PC = PC + n
    3. 인출 명령어를 IR로 전송
       • IR ← MBR
  • 실행
    • CPU에서 명령어 실행(decode + execution)
    1. 명령어 해독(decode)
       • opcode 해독 : 인출한 명령어의 opcode(명령어 식별코드)해독 후 동작 구현 회로로 신호 전송
       • operand 해독 : 유효주소 취득. operand 저장 값을 통해서 유호한 주소를 얻는다.
    2. 명령어 실행(execution)
       • 명령어 실행에 필요한 CPU 내외부 제어신호 발생
       • decoder 출력 라인의 microcode를 실행해서 명령어 동작
  • 인터럽트
    • 프로그램 예외상황 발생시 cpu에게 알려주고 처리하도록 함
    • interrupt를 검사하고, interrupt를 처리할 인터럽트 서비스 루틴(interrupt service routine) 호출
    • interrupt handler: 인터럽트 처리 프로그램

인터럽트 동작