CPU

CPU & 마이크로프로세서

마이크로프로세서

• 컴퓨터에서 명령을 수행하고 데이터를 처리하는 CPU를 집적회로의 칩 형태로 만든 것

폰 노이만 컴퓨터 구조

• 프로그램 내장 방식
• 데이터와 명령어가 주기억장치에 저장되어 있다가 버스를 통해서 CPU로 전달
• CPU는 전달되어 온 명령어를 이용하여 데이터를 사용자가 원하는 형태로 처리
• 결과는 다시 데이터 버스를 통해서 주기억장치 RAM으로 보냄

머신 사이클

• 프로그램을 구성하는 명령어는 CPU에서 4단계의 과정을 통해서 수행 → 머신 사이클
• ① 인출(Fetch) 사이클: 필요한 명령어를 주기억장치에서 불러오는 사이클
• ② 해독(Decode) 사이클: 호출된 명령어를 해석하는 사이클
• ③ 실행(Execute) 사이클: 해석된 명령어를 산술논리연산장치를 통해 실행
• ④ 저장(Store) 사이클: 수행결과를 주기억장치에 저장하는 사이클

클록 속도

• 클록 속도(클록 주파수): 1초에 클록이 몇 번 발생하는지를 나타낸 것, 단위 Hz
  • 주회로기판에 장착되어 있는 클록 발생기가 만들어 냄
  • 클록 수가 높을수록 컴퓨터의 처리 속도가 빠르다는 것을 의미
• 클록(Clock): CPU가 일정한 속도로 작동하기 위해 일정한 간격으로 공급되는 전기적 진동(oulse)
• 1Hz: 1초에 1번 클록이 발생하는 것
• 1MHz: 1초에 10⁶개의 클록 발생

명령어 처리 속도

• 초당 처리하는 명령어의 개수, 단위 MIPS(Million Instruction Per Second)
• 현재는 MIPS보다는 FLOPS(FLoating point Operation Per Second) 단위를 자주 사용

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CPU의 내부구조

• 연산장치·제어장치·레지스터의 집합으로 구성되고 내부 CPU 버스로 연결
  • 연산장치: 각종 연산기능 수행
  • 레지스터: 데이터를 보관하는 기억기능 수행
  • 제어장치: 명령을 해독하고 제어신호를 발생하여 제어기능 수행
  • 버스: 데이터의 전달기능 수행

산술논리연산장치(ALU)

• Arithmetic and Logic Unit
• 덧셈, 뺄셈과 같은 산술연산과 AND, OR, NOT, XOR 등의 논리연산을 계산하는 디지털 회로
• 산술 및 부울 논리 연산기: 실제적인 산술 연산과 논리 연산을 수행하는 회로
• 상태 플래그: 연산 중인 ALU 내의 데이터 상태 표시, 음수·0·오버플로우 등을 표시
• 이동기(Shifter): 데이터 비트를 좌우로 비트 별로 이동 (비트의 이동 = 2의 곱셈 or 나눗셈)
• 보수기(Complementer): ALU 내의 데이터에 대해 보수연산 수행 (2의 보수)

프로세서 레지스터

• CPU 내에서 데이터를 저장하는 장치
• 기억장치들 중에서 속도가 가장 빠름
• ALU에서 처리된 결과 데이터를 임시 보관하고, 주기억장치로부터 읽어온 명령어와 데이터를 임시 보관

레지스터의 용도별 분류

구분	특징
데이터 레지스터	정수 데이터 값을 저장할 수 있는 레지스터
주소 레지스터	기억장치 주소를 저장하여 기억장치 액세스에 사용
범용 레지스터	데이터와 주소 모두 저장할 수 있는 레지스터
부동 소수점 레지스터	부동소수점 데이터 값을 저장하기 위해 사용
상수 레지스터	0이나 1 등 고정된 데이터 값을 저장하기 위한 레지스터
특수 레지스터	실행 중인 프로그램의 상태를 저장 (프로그램 카운터, 상태 레지스터)
명령 레지스터	현재 실행 중인 명령어 저장
색인 레지스터	실행 중에 피연산자의 주소를 계산하는데 사용

CPU에 존재하는 레지스터

• 사용자에게 보이는 레지스터
  • 어셈블리 프로그래머는 프로그램에서 사용되는 변수 데이터 등의 저장을 위해 해당 레지스터를 알고 있어야 함

구분	특징
일반 목적용 레지스터	프로그래머에 의해 여러 용도로 사용
데이터 레지스터	데이터 저장에만 사용할 수 있는 레지스터 (누산기)
주소 레지스터	특정 주소지정 방식을 위해 사용하는 레지스터 유효주소를 저장하기 위한 레지스터
	인덱스 레지스터	변위 주소지정 방식에서 인덱스 주소지정에 사용
	스택 포인터	스택이라는 저장장치의 최상위 주소를 저장하는 레지스터
조건 코드	저장된 데이터의 상태를 표시하는데 사용
	부호 비트	양수인지 음수인지를 표시
	영(0) 비트	해당 데이터가 0이라는 것을 표시
	오버플로우 비트	연산의 결과 등에 오버플로우가 발생했다는 것을 표시

• 제어 및 상태 레지스터
  • 프로그램 상태 단어(Program Status Word)의 종류
    • 부호 비트: 해당 레지스터 내의 데이터의 부호 표시
    • 영 비트: 레지스터가 0이라는 것을 표시
    • 올림수 비트: 해당 레지스터에서 자리 올림이 발생했다는 것을 표시
    • 동등 비트: 비교 대상과 해당 레지스터가 동일한 상태임을 표시
    • 오버플로우 비트: 해당 레지스터의 오버플로우 상태 표시
    • 인터럽트 가능/불가능 비트: 인터럽트 가능 여부 표시
    • 디렉션 비트: 문자열 조직에서 참일 경우 주소 레지스터 값이 자동으로 감소하고, 거짓일 경우 자동으로 증가하도록 하는 비트
    • 트랩 비트: 참일 경우 한 명령이 실행할 때마다 인터럽트 발생
    • 보조올림수 비트: 연산 결과 하위 니블(4bits)에서 비트 범위를 넘어섰을 때 참이 됨 → 이진화 십진법(BCD) 연산에 사용하는 비트
    • 패리티 비트: 연산 결과에서 1의 값을 갖는 비트의 수가 짝수일 경우 참
    • 슈퍼바이저 비트: CPU가 슈퍼바이저 모드 혹은 사용자 모드에서 실행 중인지를 나타내는 비트

구분	특징
프로그램 카운터(PC)	주기억장치에 저장된 다음에 인출할 명령어의 주소를 가지고 있는 레지스터
명령어 레지스터(IR)	가장 최근에 주기억장치인 RAM에서 인출한 명령어를 저장
기억장치 주소 레지스터(MAR)	액세스할 기억장치의 주소가 저장되는 레지스터, 출력이 주소 버스와 직접 연결됨
기억장치 버퍼 레지스터(MBR)	기억장치에 쓰여질 데이터 혹은 가장 최근에 읽은 데이터가 저장됨
입/출력 주소 레지스터	입/출력 장치의 주소를 저장하는 주소 레지스터
입/출력 버퍼 레지스터	입/출력 모듈과 CPU 사이에 교환되는 데이터를 일시적으로 저장하는 레지스터
프로그램 상태 단어	저장된 데이터의 상태와 조건을 나타내기 위한 조건 코드 비트

스택

• 저장장치의 일종, 일반적으로 사용되는 스택은 RAM 메모리 스택
• 저장되는 요소들이 순차적으로 저장
• 요소의 개수 또는 스택의 길이는 가변적
• 한 번에 하나의 요소에만 액세스 가능
• 나중 입력 먼저 출력(LIFO, Last-In-First-Out)

스택의 동작 표현

구분	특징
TOP	데이터가 입력되고 출력되는 액세스 부분
PUSH	스택의 Top에 새로운 요소를 추가 저장하는 동작
POP	스택의 Top에서 하나의 요소를 꺼내는 동작
스택 포인터	Top의 위치를 표시하는 장치 스택에서는 항상 스택의 꼭대기 항을 가리키는 주소 레지스터인 스택 포인트가 필요함

스택의 기본적인 동작

• Top에 위치한 요소는 POP 동작을 통해 스택에서 인출
• 연산을 수행하고, 연산의 결과를 다시 스택에 저장되도록 PUSH
• 결과 데이터가 저장되었으므로 Top은 위쪽으로 이동

제어장치

• 명령어를 해독하는 기능과 제어 신호를 해당 장치에 전달하는 역할을 수행
• 명령어의 형식 = 연산코드 + 기억장치 주소
  • 연산코드 필드: 수행되어야 할 연산이 지정되어 있는 필드
  • 기억장치 주소 필드: 해당 연산을 수행할 때 필요한 데이터가 저장되어 있는 주소

제어장치의 구성요소

구분	특징
MBR	주기억장치에서 읽어온 명령어를 임시 저장
IR	명령어 저장
명령어 해독기	IR에 저장된 명령어의 연산코드 필드를 전달받아 명령어를 해독하여 수행할 연산 결정
MAR	IR에 저장된 명령어의 주소 번지를 저장
PC	다음에 수행할 명령어의 주소 번지를 저장

내부 CPU 버스

• CPU 내의 ALU·레지스터·제어장치 간의 데이터 이동을 위한 통로
• 실질적인 데이터를 전달하는 데이터 버스와 제어장치에서 발생되는 제어 신호를 전달하는 제어버스로 구성
• CPU 밖의 시스템 버스들과는 직접 연결되지 않음
• 반드시 버퍼 레지스터들 혹은 시스템 버스 인터페이스 회로를 통해 시스템 버스와 접속하는 특징을 가지고 있음
• MBR과 MAR은 CPU 내부와 외부 장치 간에 속도 차이를 극복하기 위한 버퍼 역할 수행

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레지스터

• 데이터에 대한 처리결과를 일시적으로 저장하거나 내용을 이동할 때 잠시 보관하는 장소
• 고속으로 동작할 수 있도록 플립플롭으로 구성
• 레지스터의 설계
  • 일반적으로 D 플립플롭은 레지스터를 제작하는 구성 요소로 사용
  • 입력신호 D가 클록 펄스에 동기 되어 그대로 출력에 전달되는 특성
• 레지스터의 구성
  • 클록이 플립플롭에 입력될 때마다 4비트의 입력 I₀ ~ I₃가 저장됨
  • 출력 측 A₀ ~ A₃에서는 언제나 저장된 값을 참조할 수 있음

레지스터의 전송

레지스터 간 전송

• 다른 레지스터에 데이터를 쓰거나 저장된 데이터를 읽는 동작으로 직렬 전송과 병렬 전송으로 구분
• 직렬 전송 방식
  • 이동 레지스터(Shift Register)
  • 레지스터에서 다른 레지스터로 데이터가 직렬 전송되는 개념
  • 전송하는 레지스터의 내용을 보존하기 위해서는 자신의 직렬 출력을 다시 직렬로 입력하여 모든 비트가 원래의 위치에 있도록 하여야 함
• 병렬 전송 방식
  • 레지스터에 기억된 전체 내용을 하나의 제어 신호로 다른 레지스터에 동시에 전송하는 방식

버스 전송 방식

• 병렬 버스 전송: 버스 내의 선의 개수와 레지스터를 구성하는 플립플롭의 개수가 일치해야 함
• 단일 버스 전송: 버스로 사용하는 회선이 1개이므로 1비트 신호인 제어 신호를 전송하거나 직렬 전송만 가능
• 디코더를 활용한 단일 버스 연결
  • 레지스터 4개를 단일 버스를 통해서 데이터를 공동으로 전송할 경우에는 레지스터를 선택하기 위해 2비트가 입력되는 디코더를 사용
• 멀티플렉서와 디멀티플렉서의 단일 버스 연결
  • 단일 버스가 여러 레지스터 중 선택된 하나의 레지스터에 수신하는 방법으로 디멀티플렉서 회로를 사용함
    • 선택 신호에 의해 디멀티플렉서 회로의 출력 D₀ ~ D₃가 생성되므로 이를 직접 레지스터에 연결하여 수신하도록 함
  • 레지스터에 저장된 데이터를 단일 버스로 송신할 때는 멀티플렉서를 사용
    • 레지스터 4개가 멀티플렉서를 통하여 단일 회선인 버스에 연결
    • x와 y가 지적하는 회로에 의해 R₁ ~ R₄ 중 하나가 선택, 선택된 레지스터는 버스로 데이터를 출력

기억장치 전송 방식

• 주기억장치에 데이터를 쓰기 동작과 읽는 동작을 수행하기 위해서는 해당 위치를 알려주는 주소번지가 필요
• 주소번지를 저장하는 MAR이 필요하고, 주기억장치에서 읽히거나 기록할 때 임시 저장되는 MBR이 필요

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연산장치

• 연산될 데이터와 연산한 결과를 기억시킬 레지스터 필요
• 연산의 상태를 나타내기 위한 상태 레지스터들의 연결 필요
• ALU의 구성
  • 덧셈을 위한 가산기
  • 연산에 이용되는 데이터나 연산 결과 등을 일시적으로 보관하기 위한 누산기
  • 데이터를 보관하는 MBR 등
• 보수를 만들기 위한 보수기, 계산 결과의 상태를 점검하기 위한 상태 레지스터 등으로 구성

산술연산 회로

• 4비트의 병렬 가산기로 구성
• 병렬 가산기가 단순한 덧셈 기능뿐만 아니라 여러 가지 연산을 수행하기 위해서는 구성요소인 전가산기의 한쪽 입력단자에 논리 회로를 추가해야 함
• 두 개의 선택 신호, 자리올림에 의해 8가지 연산을 수행

선택 신호 & 자리 올림			출력	연산 동작
S₁	S₂	Cᵢ
0	0	0	F = A	A를 전송
0	0	1	F = A + 1	A의 증가 캐리를 포함한 덧셈
0	1	0	F = A + B	A와 B의 가산
0	1	1	F = A + B + 1	A와 B의 캐리를 가진 가산
1	0	0	F = A + B'	A와 B의 1의 보수 가산
1	0	1	F = A + B' + 1	감산(A와 B의 2의 보수 덧셈)
1	1	0	F = A - 1	A를 1 감소
1	1	1	F = A	A를 전송

논리연산 회로

• 논리 게이트들을 이용하여 조합논리 회로를 구성하면 다양한 논리연산을 수행
• 논리 게이트의 조합논리 회로와 멀티플렉서로 구성
• 4개의 논리연산이 선택신호 S₀와 S₁에 의해 하나가 선택되고 출력하게 함

S₁	S₀	출력	연산 동작
0	0	F = A ∧ B	AND
0	1	F = A ∨ B	OR
1	0	F = A ⊕ B	XOR
1	1	F = A'	NOT

상태 비트

• 플래그 또는 조건 코드(Condition Code)라고도 불림
• CPU를 설계하는 과정에서 상태 비트는 여러 종류가 존재
  • 자리올림, 부호, 제로, 오버플로우의 4가지는 필수정
  • C (Carry): 자리올림 비트가 1이면 자리올림수가 발생한 것
  • S (Sign): 부호비트가 1이면 음수, 0이면 양수
  • Z (Zero): ALU의 연산결과 모든 비트의 출력이 0이면 제로 비트는 1이 되고, 아닐 경우 0이 됨
  • V (Overflow): ALU의 두 자리올림수 C₈, C₉를 XOR 한 결과가 1이면 오버플로우, 0이면 오버플로우가 발생하지 않은 상태

8비트 ALU와 상태 레지스터

이동기

• Shifter, 이동 레지스터
• 이동 방향은 왼쪽과 오른쪽이고, 이동 방향의 마지막 비트 값은 바깥으로 밀려남
  
  • 오른쪽 이동: 왼쪽에서 새로운 비트 값이 입력되고 오른쪽에서 마지막 비트 배출
  • 왼쪽 이동: 오른쪽에서 새로운 비트 값이 입력되고 왼쪽에서 마지막 비트 배출

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제어장치

• 하드웨어적 제어장치
  • Hardwired Control Unit
  • 하드웨어만으로 설계된 하드웨어적 제어장치
• 마이크로 프로그램된 제어장치
  • Micro-programmed Control Unit
  • 소프트웨어가 포함된 마이크로 프로그램된 제어장치

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CPU의 기능

• CPU는 소프트웨어의 명령을 실행하는 핵심 부분
• 기계어로 쓰인 컴퓨터 프로그램의 명령어를 해석하여 실행하고, 프로그램에 따라 외부에서 정보를 입력·기억·연산하고 외부로 출력
• CPU가 모든 명령어들에 대하여 공통적으로 수행되는 기능은 명령어 인출(Fetch)과 해독(Decode)

명령어의 기능
구분	특징
데이터 인출 기능	명령어 실행을 위해 데이터가 필요한 경우, 기억장치 or 입출력장치에서 데이터를 읽어오는 과정 연산 과정에서 사용하는 데이터를 불러오는 과정
데이터 처리 기능	읽어온 데이터에 대한 산술적 또는 논리적 연산 수행
데이터 쓰기 기능	데이터 처리 과정에서의 수행 결과를 저장하는 기능

• 주기억장치로부터 데이터를 전송받고, 처리된 데이터를 다시 주기억장치로 전송

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CPU의 동작

1. 처리해야 할 데이터는 주기억장치 RAM에서 인출되고, 외부 시스템 버스를 통해 레지스터로 전달
2. 제어장치는 새롭게 저장된 레지스터의 데이터와 이전부터 저장하고 있던 다른 레지스터의 데이터를 덧셈하라는 제어신호를 ALU로 전달
3. ALU에서는 제어신호에 의해 덧셈을 수행하고 그 결과를 누산기에 저장
4. 덧셈의 계산 결과는 외부 시스템 버스를 통해 다시 주기억장치로 전달

제어장치의 기본 동작 과정

1. 주기억장치에서 명령어를 인출해서 제어장치 내 IR에 저장
2. PC에 다음에 실행될 명령어의 주소 저장
3. 제어장치가 IR의 명령어 해석
4. 해석된 명령어는 해당되는 제어신호 발생시킴

프로그램 카운터의 역할

• 프로그램에서 항상 앞에서부터 한 명령씩 차례대로 실행되도록 함
• 조건부 분기(e.g. JUMP)와 같이 그 순서를 바꿔야 하는 경우 PC의 내용을 바꿈으로써 분기된 이후부터의 명령들이 새로운 순서에 맞게 실행

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CPU의 성능 요소

• CPU가 데이터를 처리하는 속도는 컴퓨터의 성능을 평가하는 중요한 요인
• CPU가 데이터를 처리하는 속도는 여러 가지 요소들에 의해 좌우

대표적 성능 요소

클록 주파수

• 컴퓨터에서 수행되는 모든 연산의 타이밍을 맞추기 위해 발생시키는 펄스를 시스템 클록이라 함
• 컴퓨터가 명령어를 수행하는 속도를 결정
• 하나의 클록 동안에 명령어 부 사이클이 수행되는데, 클록의 주기가 길면 그만큼 처리할 수 있는 명령어 부 사이클의 시간이 지연됨
  • 클록의 주기는 클록의 주파수와 반비례하므로 짧은 주기는 높은 클록 주파수를 뜻함
• 결과적으로 클록 주파수는 특정시간 동안에 완수할 수 있는 명령어의 수를 제한

워드 크기

• CPU가 한 번에 읽고 쓸 수 있는 비트 수
• 워드의 크기는 레지스터의 크기와 버스의 데이터 선로 수에 달려 있음
• 워드 크기가 큰 컴퓨터는 한 명령어에서 더 많은 데이터를 처리할 수 있음
• 최근 컴퓨터의 워드 크기는 64비트

캐시 기억장치

• CPU가 데이터에 빠르게 접근할 수 있는 고속의 기억장치
• CPU에서 필요한 데이터를 미리 캐시기억장치에 가져다 놓음으로써 주기억장치에서 데이터를 확인하는 시간을 줄여줌
• 읽기와 쓰기 동작 속도를 향상해서 전체적으로 CPU 속도가 훨씬 빨라짐

명령어 집합의 복잡성

• 복잡 명령어 집합 컴퓨터(CISC)
  • CPU에 복잡한 명령어가 많이 내재된 컴퓨터
  • 한 명령어는 기억장치에서 많은 바이트를 차지해 CPU가 수행하려면 많은 클록이 소요되므로 저속으로 동작됨
• 축소 명령어 집합 컴퓨터(RISC)
  • 연산속도를 향상하기 위해 제어논리를 단순화하고 단순화된 명령어 구조를 가짐
  • CPU에 빠르게 수행되는 제한된 수의 간단한 명령어만이 내재된 컴퓨터
  • 결과적으로 특별한 설계 방법을 통해 속도를 최대한 높일 수 있는 컴퓨터

파이프라이닝 기법

• Pipelining
• 파이프들이 연속적으로 연결되는 개념
• CPU 또는 프로세서가 이전 명령어의 수행이 완전하게 종료되기 전에 새로운 다음 명령어 수행을 시작하는 기법

병렬처리

• Parallel Processing
• 하나 이상의 CPU로 구성된 컴퓨터에서 한 번에 여러 개의 명령어를 동시에 수행시킬 수 있는 방법
• 병렬처리의 동작원리
  • 명령어가 제어장치로 입력되면 제어장치는 이 명령어가 수행이 가능한 CPU로 보냄
  • 여분의 CPU가 다른 명령어를 처리할 수 있으므로 대기하는 시간 없이 바로 처리됨 
  • 여러 개의 CPU가 필요하므로 비용이 상승하지만 그만큼 컴퓨터의 처리 속도가 증가됨