[컴퓨터 구조] Chapter 04. 중앙 처리 장치

1. 프로세서의 구성과 동작

• 컴퓨터의 세가지 핵심 장치 : 프로세서(cpu), 메모리, 입출력장치I/O

• 프로세서의 구성요소

  • ALU : 기본 연산 수행 (기본적으로는 정수연산, 요즘엔 실수연산도 하기도 하고)
  • 제어장치 : 관제센터. 실제 계산 외 처리들 다함. 메모리에서 명령어 가져와 해독 후실행하고 장치들 제어
  • 레지스터 세트 : 빠른 미니 임시 저장소.
    • 특수 레지스터 : 정해진 용도로만 쓰임
    • 범용 레지스터

• 버스 : 이들 내부 또는 이들 사이에 주소, 데이터, 제어 신호를 전달하기 위해 연결해주는 통로

  • 내부 버스 : 프로세서 내부

  • 시스템 버스(프로세서 외부) 종류 - 주소 들고 가서 데이터 가져온다~

    주소버스 : 프로세서→메모리

    데이터버스 : 메모리<~>프로세서

    제어버스 : 주로 프로세서→메모리지만 100%는 아님

폰 노이만 구조 : 프로그램과 데이터과 모두 메모리에 올라와있어야 cpu가 실행함

• 주사이클 = 기계주기 = 프로세서 명령 실행 사이클

  1. fetch 인출

     제어장치가 실행할 명령어 한줄을 메모리에서 IR(명령 레지스터)로 가져온다.

     그 후 PC(프로그램 카운터)의 주소가 다음 명령어 주소로 변경됨

  2. decode 해독

     가져온 명령어를 해독

     필요한 데이터가 있는 경우 메모리에 가서 가져옴 - 범용 레지스터 등에 저장

  3. execute 실행

     준비끝. 실행

     반복

프로세서는 명령을 더 작은 마이크로 명령어들로 나누어 실행한다.

2. 산술 논리 연산 장치 (ALU)

주로 정수 연산. 부동소수(실수)연산은 FPU. 최근에는 이것까지 다 함

arithmetic : + - * / ++ -- 보수neg

logical : and or not xor shift

• AC누산기 - ALU내부에 있으며 ALU와 밀접한 관련이 있는 레지스터

• shift 연산 : 산술연산의 속도 높임. 곱셈을 시프트와 덧셈으로.

  • arithmetic
    • ASL : overflow체크 필수(MSB와 MSB바로 옆 수가 다를 경우 overflow). 0으로 채움
    • ASR : 부호비트 유지 주의(음수는 1, 양수는 0으로 채움)
  • logical
    • LSL : 0으로 채움
    • LSR : ‘’
  • rotational
    • ROL : 회전 시프트
    • ROR : ‘’
    • ROLC : 캐리도 함께 회전 시프트
    • RORC : ‘’

• 논리 연산 예) unset0으로 만들고 싶을 때 and, set1로 만들고 싶을 때 or 활용

• **정수 계산은 항상 MSB(부호비트)부터 볼 것!!

3. 레지스터

메모리 계층의 최상위(cpu내부). 가장 빠른 메모리

cpu가 사용하는 데이터와 명령어를 빠르게 읽고 저장

종류

• AC누산기 : ALU내부!! 피연산자 제공, 결과 저장 등

• PC프로그램카운터 : 명령어가 인출되면 값을 명령어 크기단위 길이만큼 증가

• IR명령 레지스터

• IX인덱스 레지스터 : 배열 인덱스 저장용

• SP스택 포인터 : 스택의 다음 쌓을 위치 주소 (후입선출)

• FR플래스(상태) 레지스터 : cpu의 현재상태.

  • C 캐리비트
  • S 부호비트
  • Z zero비트 : 결과가 0이면 Z=1. 숫자 전체 NOR연산
  • V overflow비트 : C4최종 캐리 =/= C3직전 캐리이면 overflow(표현 범위 벗어남) - 정상연산 캐리비트와 혼동 주의

• 메모리 데이터(버퍼) 레지스터 - ~여기에 저장(일시)

• 메모리 주소 레지스터 - 메모리의 여기가서 데이터를 가져와서~

• 입출력 주소 / 버퍼 레지스터 - 입출력용

• common bus

  레지스터들은 공유버스 하나에 여러개가 연결되어있어서 서로 신호를 주고받는다!

  데이터를 내보내려는 레지스터에게 Nx1 MUX로 선택해 공유버스 사용하도록 하고

  데이터를 받아야하는 레지스터를 2xN 디코더로 하나만 선택해 load하도록 한다.

• 레지스터 전송 명령
  • LOAD : 메모리→레지스터 데이터 로드
  • STORE : 레지스터→메모리 데이터 저장
  • MOVE : 레지스터 간 데이터 왔다갔다

4. 컴퓨터 명령어

명령어 형식 - 주소지 적을수록 같은 동작에 대한 명령어가 길어짐.

• 0-주소 명령어 : 저장장소가 묵시적 지정(스택. pop, push, 역표현)
• 1-주소 명령어 : 나머지 하나를 AC로 묵시적 지정
• 2-주소 명령어 : 한쪽 주소에 결과 덮어쓰기 - 원본 훼손. 복사이동 후 사용 필요
• 3-주소 명령어 : 오퍼랜드 2개와 결과 저장위치까지 - 프로그램 짧아지고 명령어 해독하는 컴파일러 복잡해짐

니모닉

명령어 형식 설계 기준

• 짧을수록 좋음

• 모든 연산이 표현 가능하도록 형식에 여유가 있어야 함. 명령어 추가 가능하도록. opcode를 많이 담을수록 다양한 연산 표현 가능

• 주소 필드(operand)의 비트수 - 잘게 나누면 더 많은 공간 필요(?)

• opcode과 주소필드는 tradeoff 관계

명령어 종류

• 데이토 이동 명령 : load store move - 복사
• 2항 연산 : operand 2개 - 산술 및 논리 연산
• 단항 연산 : operand 1개 - shift, inc++, neg, not 등
• 비교, 조건분기 명령 : (상태비트)조건 충족 시 메모리주소로 branching분기
• procedure프로시저(함수!!) 호출 명령 : 프로시저 작업 완료 후 원래 다음 명령주소로 복귀 - 복귀주소 저장 방법 중 가장 좋은 건 스택
• loop루프 제어 명령 : 카운터 소유, 종료조건 검사
• 입출력 명령

5. 주소 지정 방식

• 주소 지정 모드 : 주소필드 해석 규칙

종류

• 직접 값(즉시 지정) 모드

• 묵시적 주소 지정 : push나 pop의 스택, RET복귀, AC 활용 등

• 직접 주소 지정

• 간접 주소 지정 - 시간 소요

• 레지스터 주소 지정 - 피연산자 데이터가 레지스터에 이미 들어와있음

• 레지스터 간접 주소 지정 : 필드 → 레지스터 → 메모리

• 변위 주소 지정

  여기부터는 특정한 용도가 있는 방법

  EA유효주소 = 실제 주소

  • 인덱스 주소 지정 : 배열에 사용. 인덱스가 변위

  • 상대 주소 지정 : 변위operand + PC

  • 베이스 주소 지정 : 변위operand + 베이스 레지스터

    베이스 레지스터로는 SS스택시작, CS프로그램시작, DS데이터영역시작 등의 segment가 쓰인다.

6. CISC와 RISC

• CSIC : 명령어가 다양할수록 계산이 편리하다고 엄청나게 많이 추가함. 너무 복잡~

  명령어 다양, 가변적, 레지스터 적음. 프로그램 길이 짧음

• RISC : 단순하게 가자! 빠르게 실행할 수 있는 적은 개수의 단순한 명령. 메모리로는 잘 안감

  컴파일러 복잡. 주소지정방식 단순 제한적.