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4. CPU의 작동 원리(컴퓨터의 4가지 핵심 부품-CPU)

ALU와 제어장치

<aside> ☝🏻 [대전제] 계산을 하기 위해서는 피연산자와 연산자가 필요하다. (명령어의 구조가 그러하듯)

</aside>

1. ALU(산술논리연산장치): 레지스터를 통해 피연산자를 받아들이고 제어장치로부터 연산자를 알려주는 제어 신호를 받아들임 → 결과값을 레지스터(+플래그 레지스터)에 저장함

• 레지스터에 무슨 결과값을 보내는데? 연산을 수행한 결과인 특정 문자, 숫자, 메모리 주소를 보냅니다.
• 왜 레지스터에다 둠? 메모리에 저장하지 않고 레지스터에 저장해 접근 속도를 늘리려는 겁니다.
• 플래그가 머임? 연산 결과에 대한 부가 정보

1. 제어장치: 제어 버스를 통해 제어 신호를 받고, 레지스터(명령어 레지스터+플래그 레지스터)에서 명령어를 받아들이며, 클럭에 맞게 가동함 → CPU 내부, 즉 레지스터와 ALU에 제어신호 전달, 그리고 CPU 외부인 메모리, 입출력장치 등에 제어 버스를 통해 제어 신호 전달

• 레지스터와 ALU에 뭐 전달하는데? ALU에는 수행할 연산을 지시하고, 레지스터에는 레지스터 내부 데이터 이동 및 내부 저장된 명령어 해석하기 위해 제어 신호 보냄
• 그럼 외부 장치에는 제어 신호 왜 보냄? 메모리에서 데이터를 읽거나 쓰고 싶을 때 있잖슴. 그럴 때 제어 신호 보내는 거지. 입출력장치도 똑같음
• 제어장치에서 쓰이는 클럭은 모든 부품을 움직이게 하기 위한 시간 단위임. 밑에 내려가면 클럭에 대한 서술이 있는데, 그때 봅시당

레지스터

<aside> ☝🏻 정보) CPU마다 레지스터가 다 다름. 이 레지스터는 각각 CPU 제조사 홈페이지나 공식 문서에서 확인 가능. 그러나 우리가 지금 알아볼 것은 공통으로 포함하고 있는 여덟 개의 레지스터임.

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1. 레지스터

   <메모리에 저장된 프로그램 실행 과정>

   a. 프로그램 카운터: 메모리에서 가져올 명령어의 주소 저장

   b. 메모리 주소 레지스터: 메모리의 주소를 저장(메모리 접근-주소 버스 이용)

   c. 메모리 버퍼 레지스터: 메모리와 주고받을 값 저장(메모리 접근-데이터 버스 이용)

   d. 명령어 레지스터: 메모리에서 읽어들인 명령어 저장

   • 4개의 레지스터는 알파벳 순으로 기능을 거침, 메모리 버퍼 레지스터에 값이 저장될 쯤, 프로그램 카운터는 하나 증가되어 다음 명령어를 읽어들일 준비를 함
   • 프로그램 카운터가 하나씩 증가되는 것은 곧, 프로그램을 순차적으로 실행하는 원리가 됨

   

   해당 사진은 메모리에 저장된 프로그램 실행 과정 중 하나임

   <부가 정보 및 편의 실행 과정>

   e. 범용 레지스터: 다양하고 일반적인 상황에서 자유롭게 사용할 수 있는 레지스터

   f. 플래그 레지스터: 연산 결과, 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보를 저장하는 레지스터

   • 부호 플래그: 연산한 결과의 부호 표시(1-음수, 0-양수)
   • 제로 플래그: 연산 결과 0인지 여부 표시(1-ZERO)
   • 캐리 플래그: 연산 결과 올림수/빌림수 여부 표시(1-올림수/빌림수)
   • 오버플로우 플래그: 오버플로우 발생 여부(1-오버플로우)
   • 인터럽트 플래그: 인터럽트 발생 가능 여부(1-인터럽트 발생 가능)
   • 슈퍼바이저 플래그: 커널 모드 실행/사용자 모드 실행 표시(1-커널 모드, 0-사용자 모드)

   

   <특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식>

   • 이번 주소 지정 방식은 스택 포인터, 프로그램 카운터, 베이스 레지스터를 이용하여 주소를 지정하는 방식임. 다른 주소 지정 방식은 아래 페이지 참고!

     [혼공컴운] 1주차_컴퓨터 구조 포괄적 이해

   g. 스택 포인터(←스택 주소 지정 방식): 스택에 마지막으로 저장한 값의 위치를 저장하는 레지스터

   h. 베이스 레지스터(←변위 주소 지정 방식-베이스 레지스터 주소 지정 방식): 기준 주소를 저장하는 레지스터

   • 스택 주소 지정 방식: 스택과 스택 포인터를 이용한 주소 지정 방식

   • 변위 주소 지정 방식-상대 주소 지정 방식: 오퍼랜드 필드의 값(변위) + 프로그램 카운터의 값을 더하여 유효 주소를 얻어내는 주소 지정 방식

   • 변위 주소 지정 방식-베이스 레지스터 주소 지정 방식: 오퍼랜드 필드의 값(변위) + 베이스 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻어내는 주소 지정 방식

     

     스택 주소 지정 방식

   

   변위 주소 지정 방식