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컴퓨터구조-중앙-처리-장치

By 박재경
Posted 2022-08-02 15 min read

중앙처리 장치 파트1

강의링크

1) CPU 주요 요소

(1) 기억장치

  • 레지스터의 집합
  • 데이터 임시 저장 장소 이다.
  • 데이터와 프로그램을 메인메모리에 저장되지만, 이것들이 수행되기 위해서는 레지스터로 이동해야 한다.
    • 명령어는 IR레지스터로 이동!
    • 데이터는 데이터 레지스터로 이동!


(2) 제어장치

  • CPU 명령어를 처리하는 회로의 집합이다.
  • 논리 게이트와 요소들로 구성되어 있다.
    • 게이트
    • 요소: 디코더, 멀티 플렉서, 인코더, 버퍼
    • 와이어
  • 명령어에 따라서 연산 제어를 수행한다.
    • 필요한 타이밍에 연산 제어를 한다.


(3) 연산장치

  • ALU
  • 산술 연산, 논리 연산 및 시프트 연산을 수행한다.


범용 레지스터 구조 ( General Register Organization)

(1) 공용 ALU를 가진 레지스터 집합

소스 데이터를 어느 레지스터로 부터 가져와서 연산된 결과 값을 어떤 레지스터로 보낼 것인가.


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  • 7개의 범용 레지스터
    • 연산에 사용할 데이터를 가져온다.
    • 연산 결과를 저장한다.
  • 공통 bus
    • 버스를 활용하여 데이터를 이동시킨다.
  • 8x1 MUX 2개
    • SELA: 어떤 데이터를 가져오는가.
    • SELB: 이항연산일 경우 또다른 오퍼레드를 가져오는가.
  • ALU
    • OPR: 연산 종류 결정
    • 연산결과를 어떤 레지스터로 보내는가
  • 3x8 디코더 1개
    • load입력이 1일때 레지스터의 값이 들어가기 때문에 (SELD)
    • 디코더를 활용해 어떤 레지스터에 데이터 결과를 load할 지 저장한다.

따라서 SELA, SELB, 오퍼레이션, SELD 비트가 이미 결정되어 있어야 한다.


(2) 제어 워드 집합

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  • SELA, SELB: ALU 입력을 결정한다.
  • SELD: ALU 출력 저장소를 결정한다.
  • OPR: 연산의 정류를 지정한다.


2) 스택 구조 (Stack Organization)

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(1) 레지스터 스택

  • SP(Stack Pointer)
    • 레지스터
    • 지금 스택의 가장 꼭대기. 즉 가장 위의 번지 수를 저장하고 있다.
  • FULL, EMPTY
    • 플립플롭
    • FULL: 스택이 꽉 차면 1이된다.
    • EMPTY: 스택이 비면 1이 된다.
  • PUSH 동작
    • SP <- SP +1 : 스택 포인터 증가
    • M[SP] <- DR: 스택포인터가 가리키는 주소의 메모리에 데이터 레지스터에 있는 값을 넣는다.
    • IF (SP = 0) then (FULL <- 1): 만약 스택포인터가 0이면 (이전에 마지막 스택포인터를 가르키다가 0으로 돌아간 것) FULL 플립플롭을 1로 놓는다.
    • EMPTY <- 0
  • POP 동작
    • DR <- M[SP] : 스택포인터가 가리키는 메모리에 있는 값을 데이터 레지스터로 이동시킨다.
    • SP <- SP - 1
    • IF (SP = 0 ) thend (EMPTY <- 1)
    • FULL <- 0


(2) 메모리 스택

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  • PUSH 동작
    • SP <- SP -1: down-ward grow 스택구조 이기 때문에 아래로 내려갈 수록 주소가 커진다.
    • M[SP] <- DR
  • POP 동작
    • DR <- M[SP]
    • SP <- SP + 1


(2) 메모리 세그먼트

프로그램을 CPU가 동작시키기 위해 임의로 나눠놓은 메모리의 구획이다.


  • 모든 프로그램은 Code / Data / Stack(Heap)로 구획을 나눌 수 있다.

  • 하나의 세그먼트의 크기

    • MS-DOS / WIndows: 64KB
    • UNIX / Linux: N x 1KB 블록


(3) 스택 오버 플로우

스택의 크기를 벗어나는 SP 값


  • stack point가 더 이상 증가할 수 없는데, push를 한다면 발생한다. (error)
    • 메모리의 세그먼트 할당 크기가 제한이 있기 떄문이다.
  • 특히, Protected mode에서 발생된다.
    • protected mode: 하나의 프로세스가 다른 프로세스의 메모리를 침범할 수 없다.
  • 다른 메모리의 영역에 침범하지 않도록 한다.


(4) 스택 연산

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중앙처리 장치 파트2

강의링크

1) 명령어 형식 (Instruction Format)

  • 오퍼랜드 주소를 몇개로 표시하는가에 따라 나뉜다.
    • 3주소 명령어: source와 destination을 다 표시한다.
      • 프로그램의 길이를 짤게 하지만, 명령어의 길이가 길어진다.
    • 2주소 명령어: 연산코드 + 오퍼랜드 1 + 오퍼랜드 2
      • 가장 일반적이다.
    • 1주소 명령어: 연산 코드 + 오퍼랜드 (누산기에 의해 데이터를 처리한다)
    • 무주소 명령어: 주소가 필요없다. 연산코드만 존재한다. (ex. stack)


2) 어드레싱 모드 (Addressing Mode)

연산에 사용될 데이터가 기억장치의 어디에 위치하는 지를 지정하는 방법


(1) 다양한 어드레싱 모드를 사용하는 이유

제한된 명령어 비트로 오퍼랜드를 지정하기 때문이다.

  • Pointer, couter Indexing기능
  • 프로그램 재배치 (relocation) 편의를 제공한다.
    • 프로그램 융통성을 위해 사용된다.
  • 명령어 주소 필드 최소화


(1) 직접 주소 모드

  • 명령어의 주소 부분이 유효주소 (EA)를 표시한다.
  • 분기 명령에서는 실제 분기 주소를 표시한다.


(2) 간접 주소 모드

  • 명령어의 주소 부분에 유효주소를 지정하는 주소 표시방법이다.

    • 다양한 간접 주소 모드를 사용할 수 있다.

    • 상대 주소 모드
    • 인덱스 어드레싱 모드
    • 베이스 레지스터 어드레싱 모드


✅유효주소 계산 예시

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3) 데이터 전송과 처리 (Data Transfer and Manipulation)

(1) ALU가 처리하는 명령어

  • 산술 명령어
  • 논리 연상 및 비트 처리 명령어
  • 시프트 명령어


4) 프로그램 제어 (Program Control)

(1) 상태 비트 조건

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  • 상태비트를 확인하고 조건에 따라 프로그램을 제어한다.

  • C: ALU 출력 캐리 값
  • S: AC의 부호 비트
  • Z: AC 값의 zero 여부
  • V: 연산 결과 오버플로우 여부


(2) 조건부 분기 명령어

  • 조건 값이 어떤 값이냐에 따라 분기를 하느냐 마느냐를 나누는 경우의 수
  • 상태 비트에 따라서 분기한다.


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(3) 서브루틴

  • Call

    • SQ <- SP-1

    • M[SP] <- PC: 복귀주소를 스택에 push 한다.

    • PC <- effective address: 내가 가야할 주소를 pc에 넣는다.

  • Return

    • PC <- M[SP]: 복귀 주소로!
    • SP <- SP +1

  • 순환 서브 루틴 (recursive Subroutine)

    • 서브루틴이 자기 자신을 호출한다.
    • 순환 call이 return 주소를 지워버리는 것을 방지하기 위하여 스택에 return 주소를 저장한다.
      • 재귀함수를 돌리면 하나하나씩 스택에 복귀주소를 push되고 pop된다.


(4) 프로그램 인터럽트

  • 인터럽트를 처리하고 돌아오는 복귀주소를 스택에 저장하게 된다.
  • 서브루틴과의 차이점
    • 시스템 내, 외부적 신호에 의하여 프로그램 진행이 변경된다.
    • 인터럽트 처리 루틴의 주소는 하드웨어 적으로 결정되어 있다.
    • PC 값만 아니라 CPU의 다른 상태를 나타내는 정보도 대피한다. (메모리(스택)에 저장한다.)
  • PSW (Program Status Word)
    • 인터럽트가 발생할 때 저장되는 CPU 정보
    • PSW로 저장되는 데이터
      1. 프로그램 카운터(PC)의 값
      2. 모든 레지스터의 값
      3. 상태 조건 비트 (C, S, V, Z)

:white_check_mark: 인터럽트 형태

  • 외부 인터럽트
    • 입출력 장치, 타이밍 장치, 전원 등 외부 요소에 의하여 발생한다.
  • 내부 인터럽트
    • 불법적인 명령이나 데이터를사용할 때 발생한다.
    • ex) 오버 플로우, divided bt 0, segment fault 등
  • 소프트웨어 인터럽트
    • 명령어의 수행에 의하여 발생한다.
    • Supervisior call 명령, System call


5) 간소화된 명령어 집합 컴퓨터 (RISC)

명령어가 줄어든 CPU


(1) 정의

  • CISC(complex Instruction Set Computer) 에 비하여 새로운 설계 개념을 제시한다.
  • 새로운 마이크로 아키텍쳐와 명령어 구조를 제시했다.
  • 명령어가 많으면, 명령어 하나에 따를 제어장치를 만들어야 한다. 즉, 명령어가 많으면 제어장치가 커지고 복잡해질 수 있다.
    • 제어장치가 줄어든 빈자리를 레지스터로 채워 넣는다.
  • CISC보다 간단한 구조, 빠른 처리속도, 높은 효율을 자랑한다.
CISCRISC
많은 수의 명령어
특별한 명령을 수행하는 일부 명령어는 자주 사용되지 않음		상대적으로 적은 수의 명렁어
다양한 어드레싱 모드
상대적으로 적은 수의 어드레싱 모드
메모리 참조는 load/store 명령으로만 제한한다.
가변 길이 명령어 형식고정된 길이의 명령어 형식 사용
메모리에서 피연산자 처리모든 동작은 CPU 내 레지스터에서 수행한다.
 단일 사이클의 명령어 실행
 하드 와이어 제어 방식 사용


(2) 특징

  • 적은 수의 명령어로 인한 장점
    • 제어 장치의 간소화로 여유 공간 확보
    • 많은 수의 레지스터 (128개 이상)
    • 제어장치를 하드 와이어 방식으로 구현
  • 효과적인 명령어 파이프라인 사용
  • 프로시저의 빠른 호출 / 복귀를 위한 중첩된 레지스터 윈도우 사용
  • 빠르고 효과적인 구조의 컴파일러
  • 고정 길이 명령어 사용으로 인한 간단한 디코딩
  • 단일 사이클의 명령어 실행


:white_check_mark: 중첩된 레지스터 윈도우

  • 프로시저에 사용할 파라미터를 전달한다.
  • 중첩된 윈도우를 통하여 보호모드에서 빠른 데이터를 전달한다.
    • CPU에서 여러개의 프로시저(함수 혹은 하나의 프로세서)를 실행할 때, 프로시저간 데이터를 전달하려면 OS의 도움을 받아 전달해야 한다.
    • 그런데 공통영역을 사용할 수 있도록 만들고 해당 공간에 데이터를 던지면 간편하게 데이터를 전달할 수 있다.
  • 많은 수의 레지스터로 인한 구조적 장점이 있다.


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