[Operating System] CPU의 구성과 동작, 폰노이만 구조

• 이 글은 '쉽게 배우는 운영체제' 책을 참고하여 작성하였습니다.

폰노이만 구조

오늘날의 컴퓨터는 대부분 폰노이만 구조를 따른다. 폰노이만 구조는 CPU, 메모리, 입출력장치, 저장장치가 버스로 연결되어 있는 구조를 말한다.

폰노이만 구조에서 가장 중요한 특징은 '모든 프로그램은 메모리에 올라와야 실행할 수 있다'는 것이다. 저장장치에 있는 프로그램이 있다고 해서 실행되는 것이 아니라, 메모리에 올라와야 실행할 수 있는 것이다.

CPU의 기본 구성

CPU는 명령어를 해석하여 실행하는 장치로 산술논리 연산장치(ALU), 제어장치(Control Unit), 레지스터로 구성된다.

 

• 산술논리 연산장치 (ALU)

  CPU에서 데이터를 연산하는 장치이다. 데이터의 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈 같은 산술 연산이나 AND, OR과 같은 논리 연산을 수행한다.

• 제어장치 (Control Unit)

  CPU에서 작업을 지시하는 부분

• 레지스터

  CPU 내에서 사용할 데이터를 임시 보관하는 곳

CPU 명령어 처리 과정

01    LOAD 0x100 r2;
02    LOAD 0x120 r3;
03    ADD r5, r2, r3;
04    MOVE r5, 0x160;

01 : 메모리 0x100에 있는 데이터를 r2에 로드한다.

02 : 메모리 0x120에 있는 데이터를 r3에 로드한다.

03 : r2와 r3의 데이터의 값을 ADD한 후 r5에 넣는다.

04 : r5에 있는 값을 메모리 0x160에 옮긴다.

제어장치는 명령어를 해석하여 제어신호를 보내고 CPU 내의 데이터 흐름을 조절하는 역할을 한다.

레지스터의 종류

CPU는 필요한 데이터를 메모리에서 가져와 레지스터에 저장하고 산술논리 연산장치를 이용하여 연산한 후 , 그 결과를 레지스터에 저장했다가 다시 메모리로 옮긴다. 이 때 사용되는 레지스터는 데이터 레지스터와 주소 레지스터이다.

사용자 가시 레지스터

• 데이터 레지스터(DR) : 메모리에서 가져온 데이터를 임시로 보관할 때 사용, 범용 레지스터 or 일반 레지스터라고 부름
• 주소 레지스터(AR) : 데이터 또는 명령어가 가져온 메모리의 주소가 저장

사용자 불가시 레지스터 (특수 레지스터)

• 프로그램 카운터(PC) : 다음 실행할 명령어의 주소를 가리킨다. 명령어 포인터라고도 한다. 어셈블리어 01번째에서 02번째로 가기 위해서 PC가 02를 가리켜야한다.

• 명령어 레지스터(IR) : 현재 실행중인 명령어를 저장한다. 제어장치는 명령어 레지스터에 있는 명령어를 해석한 후 제어신호를 보낸다.

  ex) LOAD, ADD, MOVE ...

• 메모리 주소 레지스터(MAR) : 메모리에서 데이터를 가져오거나 메모리로 데이터를 보낼 때 주소를 지정하기 위해 사용

• 메모리 버퍼 레지스터(MBR) : 메모리로부터 가지고 온 데이터나 메모리로 옮겨갈 데이터를 임시 저장

• 프로그램 상태 레지스터(PSR ) : 연산결과(양수, 음수 ,0이 아닌지 , 자리 올림 유무 등)을 저장

버스의 종류

버스는 CPU와 메모리, 주변장치 간에 데이터를 주고받을 때 사용한다. 버스에서는 다음 작업을 지시하는 제어신호, 메모리 위치 정보 알려주는 주소, 처리할 데이터가 오고 가며 각각 제어버스, 주소버스 ,데이터 버스에 실린다.

• 제어 버스 : 제어장치와 연결된 버스로, CPU가 메모리와 주변장치에 제어 신호를 보내기 위해 사용한다. 마찬가지로 메모리와 주변장치도 작업 완료되거나 오류 발생시에 CPU에게 보내기 위해 양방향이다.

• 주소 버스 : 메모리 주소 레지스터와 연결된 버스로, 메모리나 주변장치에 데이터를 읽거나 쓸 때 위치 정보를 보내기 위해 사용하며 단방향이다. ( 메모리 주소를 확인하는 용도 )

• 데이터 버스 : 메모리 버퍼 레지스터와 연결된 버스로, 데이터 이동이 양방향으로 이뤄진다.

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