The Central Processing Unit (CPU)¶

Instruction 을 해석하여 실행하는 장치.
컴퓨터의 두뇌 에 해당.

다음의 세가지로 구성됨.

• CU (Control Unit): instruction에 대한 fetch, decode, execute, write back 과정을 제어.
• ALU (Arithmetic Logic Unit): 산술 연산 및 논리 연산을 실제로 수행.
• Registers: 연산에 필요한 데이터를 임시로 저장하며, 연산 결과 저장.

CPU는 위에서 본 것처럼 ALU, Register, Control Unit(or Execution Unit)으로 구성됨

• 이들 3가지만으로 구성된 CPU의 핵심구성요소를 Core 라고 부르지만,
• CPU는 이 외에도 Cache Memory, Internal Bus 등을 포함하고 있음

참고 : Core¶

각종 연산을 하는 CPU의 핵심요소.

• ALU,
• Registers,
• Control Unit

로 구성됨.

참고 : Microprocessor¶

MPU(Micro Processor Unit), Micro-processor라는 용어가 혼용됨.

과거 CPU는 여러개의 칩으로 만들어졌으나 현재는 대부분 one-chip으로 구현됨.
때문에 micro-processor(하나의 칩으로 구현된 CPU)와 혼용되어 사용됨.
(CPU는 인텔이, MPU는 모토로라가 사용하던 용어)

프로세서(instruction을 처리하는 logic circuit) 중

• 디바이스의 중심이 되는 것을 CPU라고 부르고,
• 보조적 역할의 processor는 Co-Processor라고 부름 (그래픽카드가 일종의 Co-Processor).

참고로 Microprocessor를 CPU로 하는 PC를 가르켜 Micro-Computer 라고 부르는 경우도 있음.

참고 : Micro Controller Unit (MCU)¶

CPU의 기능을 하는 핵심 장치와 그 주변 장치(memory and IO port)들을 포함하고 있는 통합형 칩셋 .

Micro-Controller, Micro Control Unit 이라고도 불림.

보통 고성능의 연산이 필요하지 않으면서 제어 기능이 필요한 분야 에서 사용됨.

MCU 하나 만으로도 LED나 Motor등의 다른 부품들을 control할 수 있음.

밥솥 등과 같은 전자제품들의 제어를 위한 부품으로 사용되기 때문에
컴퓨터에서 사용되는 Micro-Processor에 비해 매우 낮은 연산능력을 가지지만
매우 경제적인 저가로 제작 가능.

참고자료 : MCU와 Micro-computer, SoC

Arithmetic and Logic Unit (ALU)¶

instruction 에 따라 데이터에 대해 산술 연산 (arithmetic operation, 덧셈, 뺄셈, 나눗셈, 곱셈 등)과 논리 연산 (logic operation, AND, OR, XOR)을 수행하는 소자

Control Unit (CU, 제어장치)¶

Control Unit은 Instruction을 Fetch, Decoding하고,
Processing Unit (ALU+Register)을 통해 Instruction을 실행시킴.

CPU가 컴퓨터의 다른 구성 요소와 상호 작용하고 명령을 실행하는 데 필요한 모든 작업을 지시하고 조정하는 역할을 담당.

• CU는 Instruction Decoding을 수행함:
  • PC(Program Counter)가 가르키는 Instruction을 메모리로부터 읽어들이는 Fetch를 수행하고
  • 이 Fetched Instruction을 Decoding함.
• Instruction Decoding에 따라 CPU의 다른 구성요소들(주로 ALU)에 지시를 내려 해당 Instruction을 Execute(수행)시킴.
  • CPU의 구성요소들인 ALU와 Registers 등에 신호를 보내어 실제 연산을 수행하도록 지시함.
  • 예를 들어, 산술 연산이 필요하다면 ALU에 해당 연산을 수행하도록 신호를 보냄.
• CU는 Data가 CPU 내부 와 컴퓨터 시스템 전체 에서 어떻게 이동하는지를 관리함:
  • Data를 Memory와 Registers, ALU 등으로 전달 및 저장되는 과정을 제어함.
  • 예를 들어,
    • CU는 Execute에서 필요한 Data를 위해 Memory Access를 제어하고,
    • 연산 결과 저장 (Write Back)을 위한 Data의 이동을 지시함.

instruction에 따라, memory와 ALU, I/O device에 제어 신호를 보내고 해당 장치들로부터 신호를 받아 다음 처리를 제어하는 장치 storage에서 main memory로 data를 load하는 명령어, main memory에서 storage로 data를 save하는 명령어, 특정 address로부터 instruction을 로딩하는 명령어 등에 따라 명령을 내리는 장치.

요약하면,

Control Unit은 Instruction을 Fetch하고 Decode하며, 이를 Execute 및 Writeback하기 위해 필요한 제어신호를 보내는 Device: (이 정의를 개인적으로 가장 좋아함)

• Program Counter가 가르키는 Address에서 수행할 Instruction를 Fetch하고,
• Fetch된 Instruction을 Decode하여 Execute (실행) 및 Memory Access를 수행하고 그 결과가 올바로 저장(Writeback)되도록 제어신호를 보내고.
• 실제적으로 ALU에게 필요한 연산과 데이터를 제공하고 결과값을 올바른 메모리 장소로 보내는 일들을 담당.

참고: Control Unit and Instruction

Random Logic으로 구현할 수도 있지만, 1960년 대 이후로는
Microcode [=Micro-Instruction을 지원하는 Memory (=Writable ROM 이용)로 구현된 방식] 방식으로 구현되는 경우가 더 일반적임.

Microcode로 구현된 Traffic Control은 다음과 같은 Memory (주로 ROM, Non-Volatile)로 만들어짐.

• Instruction의 Opcode, Mode, Counter 등의 조합을 Address로 삼고,
• 해당 Address (실제로는 이 Address는 특정 Instruction임)에 해당하는 적절한 Signal을 출력하는 Memory.
• Control에 사용되는 여러 Signal들 각각을 하나의 State라고 보고, 해당 State에 Address를 할당한 일종의 State-Machine임.

Control Unit을 만들기 위해 여러 Microcode Block이 사용될 수 있고,
하나의 Microcode Block을 만들기 위해 Nanocode Block 들이 사용될 수 있음.

요약하면,
Microcode는 CPU의 Control Unit(제어 장치)가
Machine Code(기계어 명령어)`를 해석하고 실행하는 데 사용되는 저수준의 코드 임.

• Machine Code(기계어명령어)는 CPU 의 명령어 집합 아키텍처(ISA)에 정의된 고수준 명령어 (Microcode에 비해서 고수준).
• 이 Machine Code는 Microcode에 의해 더 작은 단위의 마이크로연산으로 분해 됨.
• 각 마이크로연산은 CPU의 특정 하드웨어 기능을 제어하는 데 사용
• Writable ROM 등에 저장되며, 일종의 Firmware 라고 볼 수 있음.
  • Firmware:
    • 하드웨어를 제어하고, 하드웨어와 소프트웨어 간의 인터페이스를 제공하는,
    • 읽기 전용 메모리(ROM), Flash Memory, 혹은 이와 유사한 Non-Volatile(비휘발성) 메모리에 저장된 소프트웨어.
  • Firmware에 대한 자세한 참고자료:
    • Firmware란

Random Logic 이란:

Random Logic는

• CPU 내부의 다양한 기능을 구현하는데
• 필요한 디지털 회로들을 조합하여
• 특정 동작을 수행하도록 만드는 방법.

이는 일반적으로 트랜지스터, 게이트, 플립플롭 등의 기본 논리 소자를 이용해 조합 논리회로 및 순차 논리회로를 설계하는 것을 의미함.

Register¶

주로 CPU 내에서 Data를 저장하고 있는 Memory를 가르킴.

• 1 Bits 저장에 6개의 NAND (=3개의 D Flip-Flop) 사용.
• SRAM (Static RAM rlqks)

가장 빠른 Memory이며, CPU 의 구성요소에 속함 (Core의 구성요소이기도).

대표적인 Register 들은 다음과 같음.

• Condition Code Register (CCR):
  • O: overflow, U: underflow, S: sign flag, C: carry flag
  • I: interrupt flag, SU: supervisor flag
• Program Counter (PC): 다음 수행할 Instruction이 저장된 메모리 Address 를 가르킴.
• Instruction Register (IR): Memory로부터 Fetch된 Instruction을 저장하고 있는 Register
  • Control Unit 이 해석하여, ALU에게 연산을 시키거나 다른 부품에 제어신호를 보냄.
• Accumulator : ALU의 Operation의 Result가 저장되는 Register.
• Stack Pointer: Memory의 Stack 영역에서 최상단 데이터의 주소를 가리킴.
• Address Extension Register : 주소확장레지스터, MSB를 포함하는 상위주소 부분을 지정하는 데에 사용됨.
• Base Register : Relative Addressing에서 사용되는 레지스터. 현재 address에 더해질 값을 가지고 있음.
• Indirect Address Register: Memory에서 읽어들인(Fetched) Indirect Address를 저장하고 있는 register.
• General Purpose Register: 범용 목적으로 사용되는 레지스터. Data, Instruction, Address 모두 젖아 가능.