[Operating System] CPU의 3대 구성요소와 처리 과정에 대해서

CPU는 명령어를 해석하여 실행하는 장치이다. CPU는 산술논리 연산장치, 제어장치, 레지스터(임시 저장 장치)로 구성되며, 3대 구성요소가 협업으로 작업을 처리한다. 책 [쉽게 배우는 운영체제]에서 요리사 모형에 빗대어 설명한 부분이 이해가 되기 좋아서 책을 인용해서 설명하겠다.

 

산술논리 연산장치 = 요리를 하는 행위

제어장치 = 작업 지시 명령

레지스터 = 재료 임시 보관함

 

1. 산술논리 연산장치

요리사가 재료를 삶거나 찌거나 볶듯이 CPU에서 데이터를 연산하는 장치가 산술논리 연산장치(ALU - Arithmetic and Logic Unit)이다. 산술논리 연산장치는 데이터의 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈 같은 산술 연산과 AND, OR 같은 논리 연산을 수행한다. 

 

2. 제어장치

제어 신호(control signal)라는 전기 신호를 내보내고 명령어를 해석하는 장치이다. 제어 신호란 컴퓨터 부품들을 관리하고 작동시키기 위한 일종의 전기 신호이다.

 

예를 들면, 요리사는 보조 요리사나 주방 보조에게 "도마 위의 재료를 가져와라", "양파껍질을 미리 벗겨놓아라", "다 된 요리는 접시에 담아라" 등의 작업 지시를 한다. 이처럼 CPU에서는 메모리에 저장된 값을 읽고 싶을 땐 메모리를 향해 메모리 읽기 라는 제어 신호를 보낸다. 이런 작업을 지시하는 부분을 제어장치(control unit)라고 부른다.

 

3. 레지스터

요리 중간에 재료를 손질하기보다 피료한 재료를 미리 손질해 놓으면 요리하기가 편하다. 필요할 때마다 바로 사용할 수 있기 때문이다. 이처럼 작업에 필요한 데이터를 임시로 CPU 내부에 보관하는 곳이 레지스터(register)이다. 

 

CPU가 사용하는레지스터의 종류는 다양하다. 레지스터는 계산을 하기 위해 가져온 데이터를 저장하거나, 계산의 중간 값을 임시로 보관하거나, 작업을 진행하기 위해 필요한 정보를 보관하는 데 사용된다.

 

 

 

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CPU의 명령어 처리 과정

 

1. 제어장치는 1번지에 저장된 명령어를 읽어 들이기 위해 메모리에 '메모리 읽기' 제어 신호를 보낸다.

 

 

2.

(1) 메모리는 1번지에 저장된 명령어를 CPU에게 건내주고, 이 명령어는 레지스터에 저장된다.

(2) 제어장치는 읽어들인 명령어를 해석한 뒤 3번지와 4번지에 저장된 데이터가 필요하다고 판단한다.

(3) 제어장치는 3번지와 4번지에 저장된 데이터를 읽어들이기 위해 메모리에 '메모리 읽기' 제어 신호를 보낸다.

 

 

3.

(1) 메모리는 3번지와 4번지에 저장된 데이터를 CPU에 건네주고, 이 데이터들은 서로 다른 레지스터에 저장된다.

(2) ALU는 읽어 들인 데이터로 연산을 수행한다.

(3) 계산의 결괏값은 레지스터에 저장된다. 계산이 끝났다면 첫 번째 명령어의 실행은 끝난다.

 

 

 

4.

(1) 제어장치는 2번지에 저장된 다음 명령어를 읽어 들이기 위해 메모리에 '메모리 읽기' 제어 신호를 보낸다.

 

 

(2) 메모리는 2번지에 저장된 명령어를 CPU에 건내주고, 이 명령어는 레지스터에 저장된다.

(3) 제어장치는 이 명령어를 해석한 뒤 메모리에 계산 결과를 저장해야 한다고 판단한다.

 

 

(4) 제어장치는 계산 결과를 저장하기 위해 메모리에 '메모리 쓰기' 제어 신호와 함께 계산 결과인 220을 보낸다. 메모리가 계산 결과를 저장하면 두 번째 명령어의 실행도 끝난다.

 

 

 

 

 

 

 

reference

* [컴퓨터 구조] 컴퓨터의 4가지 핵심 부품: CPU, 메모리, 보조기억장치, 입출력장치 - 혼공

* 쉽게 배우는 운영체제 p87~p90 - 조성호