CPU 구조의 이해: ALU, 레지스터, 제어 유닛, 명령어 실행 과정

 

CPU 구조의 이해: ALU, 레지스터, 제어 유닛, 명령어 실행 과정

컴퓨터의 핵심 구성 요소인 CPU(Central Processing Unit)는 프로그램을 실행하고 데이터를 처리하는 핵심 역할을 담당합니다. CPU의 내부 구조와 동작 원리에 대한 이해는 컴퓨터 시스템을 이해하는 데 매우 중요합니다! 이 포스팅에서는 CPU의 기본 구조와 명령어 실행 과정, 주요 레지스터의 기능 등을 자세히 살펴보도록 하겠습니다.

CPU의 기본 구조

CPU의 기본적인 구조는 크게 세 가지 핵심 요소로 구성되어 있습니다:

ALU(Arithmetic and Logical Unit)

ALU는 CPU의 핵심 부품으로, 산술 연산(덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈)과 논리 연산(AND, OR, NOT 등)을 수행하는 장치입니다. 이를 통해 데이터를 처리하고 연산하는 CPU의 핵심적인 역할을 담당하고 있습니다.

레지스터(Register)

레지스터는 CPU 내부의 고속 기억장치로, 데이터와 명령어를 일시적으로 저장하고 관리하는 역할을 합니다. 대표적인 레지스터에는 PC(Program Counter), AC(Accumulator), IR(Instruction Register), MAR(Memory Address Register), MBR(Memory Buffer Register) 등이 있습니다.

제어 유닛(Control Unit)

제어 유닛은 명령어를 해석하고 CPU의 각 구성 요소들이 적절하게 동작하도록 제어하는 역할을 합니다. 제어 유닛은 명령어 실행을 위한 적절한 제어 신호를 발생시켜 데이터 이동, 연산 등을 수행하도록 합니다.

이처럼 ALU, 레지스터, 제어 유닛이 유기적으로 연결되어 CPU의 기본적인 구조를 형성하고 있습니다.

명령어 실행 과정

CPU가 명령어를 실행하는 과정은 크게 두 단계로 나뉩니다:

인출 사이클(Fetch Cycle)

1. PC(Program Counter)에 저장된 주소에서 명령어를 읽어 IR(Instruction Register)에 저장합니다.
2. PC 값을 1 증가시켜 다음 명령어의 주소를 준비합니다.

실행 사이클(Execute Cycle)

1. IR에 저장된 명령어 코드를 해석하여 필요한 연산을 수행합니다.
2. 명령어 수행에 필요한 데이터를 메모리(MAR, MBR)에서 읽어오거나 결과를 메모리에 저장합니다.
3. ALU를 활용하여 실제 연산을 수행합니다.

이와 같이 인출 사이클과 실행 사이클이 반복되면서 CPU는 프로그램을 순차적으로 실행해 나갑니다.

인터럽트와 간접 사이클

CPU는 명령어 실행 중에 인터럽트(Interrupt)가 발생하면 이를 처리하기 위한 별도의 사이클을 수행합니다. 인터럽트는 프로그램 실행 중에 발생한 예외적인 상황을 CPU에게 알리는 신호입니다. CPU는 인터럽트를 감지하면 현재 실행 중인 프로그램을 중단하고, 인터럽트 서비스 루틴(ISR)을 실행하여 해당 상황을 처리합니다.

또한 CPU는 간접 사이클을 통해 명령어에 포함된 주소를 이용하여 실제 데이터의 주소를 가져올 수 있습니다. 이를 통해 간접 주소지정 방식(Indirect Addressing Mode)을 구현할 수 있습니다.

CPU 내부 레지스터의 역할

CPU 내부에는 다양한 레지스터가 존재하며, 각각 중요한 역할을 담당하고 있습니다:

• PC(Program Counter): 다음에 실행할 명령어의 주소를 저장하는 레지스터
• AC(Accumulator): 데이터 처리를 위한 임시 저장소 역할을 하는 레지스터
• IR(Instruction Register): 현재 실행 중인 명령어 코드를 저장하는 레지스터
• MAR(Memory Address Register): 메모리 접근을 위한 주소 정보를 저장하는 레지스터
• MBR(Memory Buffer Register): 메모리와 데이터를 송수신하는 버퍼 역할을 하는 레지스터

이들 레지스터는 CPU 내부에서 데이터와 명령어의 효율적인 관리와 처리를 가능하게 합니다.

CPU는 ALU, 레지스터, 제어 유닛 등의 핵심 구성 요소를 통해 프로그램을 실행하고 데이터를 처리합니다. 명령어 실행 과정, 인터럽트 처리, 간접 사이클 등 CPU의 다양한 기능을 이해하는 것은 컴퓨터 구조를 깊이 있게 이해하는 데 매우 중요합니다! 컴퓨터의 핵심 부품인 CPU의 작동 원리를 자세히 알아보시길 바랍니다 :)