기본컴퓨터의 구조와 설계 part1-1
1) 기본 컴퓨터 (Basic Computer)
- DEC. Corp 사의 중형 컴퓨터 PDP-11을 지칭한다.
- 이후 VAX-11 등의 주요 minicomputer의 기본이다. (1970 ~ 1980년대)
- 컴퓨터 구조 설계의 가장 기본적인 부분이다.
- 현대의 CPU들에도 동일하게 적용되는 설계 구조이다.
- 튜링머신: 프로그램을 기억장치에 저장하고 프로그램을 명령에따라 하나씩 꺼내와서 실행시킨다.
2) 명령어 코드 (Instruction Codes)
(1) 컴퓨터의 동작
- 레지스터 내에 저장된 데이터에 대한 마이크로 연산의 시퀀스에 의하여 정의된다.
- 범용 컴퓨터 시스템에서는 다양한 마이크로 연산 시퀀스를 정의한다.
(2) 명령어 코드
- 컴퓨터에게 어떤 특별한 동작을 수행할 것을 알리는 비트들의 집합이다.
- 연산 코드들로 구성되어 있다.
저장(내장) 프로그램 구조
- 명령어의 집합으로 구성된다.
- 각 명령어는 명령어 포맷(컴퓨터를 설계할 때 , 미리 정해진)에 따라서 정의된다.
- I: Address가 직접 주소, 간접 주소인지 구별한다.
- Opcode: 기계 명령
- Adress: 명령어가 사용하는 데이터(Operands)의 주소 값을 저장
- 프로그램 실행부분에 따라서 메모리의 다른 부분에 저장된다.
- 명령어 실행 결과는 AC에 저장된다.
💬간접 주소와 직접 주소
I비트가 0일 경우 직접 주소, 해당 주소에 데이터가 존재한다.
I비트가 1일 경우 간접 주소, 해당 주소에 데이터가 위치하는 주소가 존재한다.
(3) 컴퓨터 명령어
- 컴퓨터에 대한 일련의 마이크로 연산을 기술한다. (기계어 프로그램)
- 이진 코드로 구성된다.
- 처리할 데이터와 함께 메모리(메인 메모리)에 저장된다.
(4) 프로그램
- 사용자가 원하는 연산과 피연산자가 처리되는 순서를 기술한 컴퓨터 명령어의 집합이다.
- 명령어 처리 과정을 제어한다.
(5) 내장 프로그램
- 제어 신호에 의하여 명령어의 이진 코드를 해석하여 실행한다.
- 명령어를 저장하여 실행하는 컴퓨터 구동방식
2) 컴퓨터 레지스터 (Computer Registers)
(1) 기본 컴퓨터의 레지스터
(2) 버스 시스템의 종류
- 내부 버스
- CPU(컴퓨터) 내부 레지스터간 연결한다.
- 공통 버스 시스템
- 외부버스
- CPU 내부 레지스터와 메모리간 연결한다.
- 입출력 버스
- CPU와 주변장치(I/O)를 연결한다.
(3) 공통 버스 시스템
- 내부 버스를 통칭한다.
- 내부 버스의 크기(width)로 CPU 워드 크기를 결정한다.
- 16 bit 컴퓨터 : 내부 버스 / 레지스터 크기가 16 bit
- 32 bit 컴퓨터: 내부 버스 / 레지스터 크기가 32bit
- 전송 연결 통로
- 레지스터- 레지스터 데이터 전송을 연결하는 통로이다.
- 레지스터 - 메모리 데이터 전송을 연결하는 통로이다. (예외적 표현)
- 한 순간에는 하나의 전송 신호만이 버스에 존재가 가능하다.
- 2개 이상의 신호 발생 시에는 버스 충돌이 발생한다.
- 버스 제어기(정확한 타이밍과 MUX 제어 수행)
버스의 동작
레지스터 출력은 버스의 MUX 입력에 연결되어있다.
- 각 레지스터에 MUX 입력 번호가 설정된다.
- 레지스터 입력은 버스에 직접 연결한다. (LD로 제어)
- 병렬로드가 가능한 양방향 시프트 레지스터이기 때문에 가능하다.
- 레지스터의 LD가 1이면 데이터를 받는다.
- 메인 메모리의 경우 write면 데이터를 받는다.
기본컴퓨터의 구조와 설계 part1-2
1) 컴퓨터 명령어 (Computer Instructions)
(1) 종류
- MRI 명령어(Memory-reference instruction) : 7가지
- 메모리를 참조하는 명령어
- 주소비트를 가지고 메인메모리에 접근하는 명령어를 의미한다.
- RRI 명령어(Register -reference instruction): 12가지
- 레지스터를 참조하는 명령어
- 레지스터 사이의 혹은 레지스터를 다루는 명령으로 구성되어있다.
- IO 명령어(Input-output instruction):6가지
- Io 장치 명령어
- 입력과 출력과 관련된 명령어
(2) 명령어 형식
Opcode에 따라 명령어 종류를 구분할 수 있다.
2) 타이밍과 제어 (Timing and Control)
기본 컴퓨터의 모든 플립플롭과 레지스터는 주 클럭 발생기에 의하여 제어된다.
- 메모리에서 읽어온 명령어는 공통 버스 시스템에 있는 명령어 레지스터 (IR)에 놓이게 된다.
- 이 중에서 연산 코드 부분이 3X8 디코더에 의해 D0에서 D7까지 디코딩된다.
- 명령어 레지스터의 15번째 비트는 I로 표시되는 플립플롭에 전송되며, 나머지 0에서 11번째 비트들은 제어 논리 게이트로 연결된다. 4비트 순차 카운터(SC)의 출력은 디코더에 의해 T0에서 T15까지 16개의 타이밍 신호를 생성한다.
3) 명령어 사이클 (Instruction Cycle)
(1) 명령어 사이클 단계
- 메모리에서 명령어 가져오기 (Fetch)
- 명령어 디코딩
- 유효주소 (Effective Address) 계산
- 명령어 실행
(2) Fetch
메모리의 CodeSegment에 있는 기계어 코드 명령어를 IR(명령어 레지스터)로 가져온다.
- CodeSegment 몇 번지에 있는 명령어를 가져올지 파악한다.
AR <- PC- 명령어 번지는 PC(Program Counter: 지금 가져와야할 명령어의 주소를 기억하는 레지스터)에 저장되어 있다.
- 버스를 통해 PC에 있는 주소를 AR레지스터로 가져온다.
- AR레지스터에 있는 값이 들어오면 그 순간에 메모리의 해당 번지의 값이 자동으로 읽히게 된다.
- 메모리로부터 IR레지스터로 버스를 통해 이동한다.
IR <- M[AR]- IR 레지스터의 LD입력을 1로 하여 버스의 신호를 IR 레지스터로 이동시킨다.
- 명령어가 IR로 들어왔기 때문에 그다음에 가져와야할 명령어를 다시 가르킨다. (일반적으도 다음번지인다.)
- PC <- PC+1
(3) 명령어 디코딩
- IR에 들어간 명령어를 디코딩한다. 3bit Opcode가 무엇인지 판단한다.
- 그 결과, 디코더의 어느 출력을 1로할 것 인지 결정한다.
- 그리고 IR에 있는 다른 주소비트들을 다시 AR로 보낸다. (데이터를 가져오기 위해서)
- AR <- IR(0-11)
(4) 유효주소 계산
- 3bit Opcode를 통해 어떤 명령어 인지 파악한 후, 명령어를 실행준비한다.
- MRI 명령어 여부 (D7이 0이다)
- RRI 명령어 여부 (D7이 1이다)
- IO 명령 결정 (D7이 1이다)
- MRI일 경우, 직접 주소인지 간접주소인지 파악하여 실제 명령어의 주소를 가져온다.
- Operand가 있는 주소를 알아내는 것이다.
(5) 명령어 실행
- 명령어를 실행한다.
- 명령어 실행이 끝나면, 다음 명령어를 다시 Fetch한다.
4) 메모리 참조 명령어 (Memory-Reference Instuctions)
