CPU의 구성 요소 중 ALU와 제어장치,
ALU와 제어장치가 어떤 정보를 내보내고 받아들이는지 알아보자.
1️⃣ ALU
ALU는 계산하는 부품이다. 1+2라는 계산을 할 때 1과 2라는 피연산자와 더하기라는 수행할 연산이 필요하듯이 ALU가 계산하기 위해서는 피연산자와 수행할 연산이 필요하다.
그래서 ALU는 레지스터를 통해 피연산자를 받아드리고, 제어장치로부터 수행할 연산을 알려주는 제어 신호를 받아들인다. ALU는 레지스터와 제어장치로부터 받아들인 피연산자와 제어 신호로 산술 연산, 논리 연산 등 다양한 연산을 수행한다.
내보내는 정보들은 알아보면, 연산을 수행한 결과는 특정 숫자나 문자가 될 수도 있고, 메모리 주소가 될 수도 있다. 그리고 이 결괏값은 바로 메모리에 저장되지 않고 일시적으로 레지스터에 저장이 된다.
CPU가 메모리에 접근하는 속도는 레지스터에 접근하는 속도보다 훨씬 느리다. ALU가 연산할 때마다 결과를 메모리에 저장한다면 당연하게도 CPU는 메모리에 자주 접근하게 되고, 이는 CPU가 프로그램 실행 속도를 늦출 수 있다. 그래서 ALU가 결괏값을 메모리가 아닌 레지스터에 우선적으로 저장하는 것이다.
그림에서 Status라고 되어있는 부분은 계산 결과값 외에 ALU가 내보내는 또 다른 정보인 플래그를 포함한다. ALU는 결과값뿐만 아니라 연산 결과에 따라 추가적인 정보를 내보내야 할 때가 있다. 예를 들면 연산 결과가 음수일 때 ALU는 '방금 계산한 결과는 음수'라는 추가 정보를 내보낸다.
| 플래그 종류 | 의미 | 사용 예시 |
| 부호 플래그 | 연산한 결과 부호를 나타낸다. | 부호 플래그가 1일 경우 계산 결과는 음수, 0일 경우 계산결과는 양수를 의미함. |
| 제로 플래그 | 연산 결과가 0인지 여부를 나타낸다. | 제로 플래그가 1일 경우 연산 결과는 0, 0일 경우 여산 결과는 0이 아님을 의미함. |
| 캐리 플래그 | 연산 결과 올림수나 빌림수가 발생했는지를 나타낸다. | 캐리 플래그가 1일 경우 올림수나 빌림수가 발생했음을 의미하고, 0일 경우 발생하지 않음을 의미함. |
| 오버플로우 플래그 | 오버플로우가 발생했는지를 나타낸다. | 오버플로우 플래그가 1일 경우 오버플로우가 발생했음을 의미하고, 0일 경우 발생하지 않음을 의미함. |
| 인터럽트 플래그 | 인터럽트가 가능한지를 나타낸다. | 인터럽트 플래그가 1일 경우 인터럽트가 가능함을 의미하고, 0일 경우 인터럽트가 불가능함을 의미함. |
| 슈퍼바이저 플래그 | 커널 모드로 실행 중인지, 사용자 모드로 실행 중인지를 나타낸다. | 슈퍼바이저 플래그가 1일 경우 커널 모드로 실행 중임을 의미하고, 0일 경우 사용자 모드로 실행 중임을 의미한다. |
2️⃣ 제어장치
제어장치는 제어 신호를 보내고, 명령어를 해석하는 부품이다. 그리고 제어 신호는 컴퓨터 부품들을 관리하고 작동시키기 위한 일종의 전기 신호이다.
1) 제어장치는 클럭 신호를 받아들인다.
클럭clock이란 컴퓨터의 모든 부품을 일사불란하게 움직일 수 있게 하는 시간 단위이다. 주기에 맞춰 레지스터에서 다른 레지스터로 데이터가 이동되거나, ALU에서 연산이 수행되거나 CPU가 메모리에 저장된 명령어를 읽어 들이는 것이다.
컴퓨터 부품들은 클럭이라는 박자에 맞춰 작동할 뿐 한 박자 마다 작동하는 것은 아니다. 하나의 명령어가 여러 클럭에 걸쳐 실행될 수 있다.
2) 제어장치는 '해석해야 할 명령어'를 받아들인다.
CPU가 해석해야 할 명령어는 명령어 레지스터라는 특별한 레지스터에 저장이 된다. 제어장치는 이 명령어 레지스터로부터 해석할 명령어를 받아들이고 해석한 뒤, 제어 신호를 발생시켜 컴퓨터 부품들에 수행해야 할 내용을 알려준다.
3) 제어장치는 플래그 레지스터 속 플래그 값을 받아들인다.
플래그는 ALU 연산에 대한 추가적인 상태 정보라고 했다. 제어장치가 제어 신호를 통해 컴퓨터 부품들을 제어할 때 참고 사항을 무시하면 안 된다. 그렇기에 제어장치는 플래그 값을 받아들이고 이를 참고하여 제어 신호를 발생시킨다.
4) 제어장치는 시스템 버스, 그중에서 제어 버스로 전달된 제어 신호를 받아들인다.
제어 신호는 CPU뿐만 아니라 입출력장치를 비롯한 CPU 외부 장치도 발생시킬 수 있다. 제어장치는 제어 버스를 통해 외부로부터 전달된 제어 신호를 받아들이기도 한다.
내보내는 정보는?
크게 CPU 외부에 전달하는 제어 신호와 CPU 내부에 전달하는 제어 신호가 있다.
제어장치가 CPU 외부에 제어 신호를 전달한다는 말은 제어 버스로 제어 신호를 내보낸다는 의미와 같다.
이런 제어 신호는 크게 메모리에 전달하는 제어 신호와 입출력장치에 전달하는 제어신호가 있다.
제어장치가 메모리에 저장된 값을 읽거나 메모리에 새로운 값을 쓰고 싶다면 메모리로 제어 신호를 내보낸다. 그리고 제어 장치가 입출력장치의 값을 읽거나 입출력장치에 새로운 값을 쓰고 싶을 때는 입출력장치로 제어 신호를 내보낸다.
제어장치가 CPU 내부에 전달하는 제어 신호에는 크게 ALU에 전달하는 제어 신호와 레지스터에 전달하는 제어 신호가 있다. ALU에 수행할 연산을 지시하기 위해, 레지스터에는 레지스터 간에 데이터를 이동시키거나 레지스터에 저장된 명령어를 해석하기 위해 제어 신호를 내보낸다.
참고자료 -
'CS' 카테고리의 다른 글
| [CS] 명령어 사이클과 인터럽트 (0) | 2023.02.07 |
|---|---|
| [CS] 레지스터 (0) | 2023.02.02 |
| [CS] 다양한 주소 지정 방식 (0) | 2023.01.19 |
| [CS] 명령어의 구조 (0) | 2023.01.17 |
| [CS] 소스코드와 명령어 (0) | 2023.01.14 |
