[CS] 혼공컴운 - 4.1 ALU와 제어장치

이 글은

- '강민철'님의 책 '혼자 공부하는 컴퓨터구조 + 운영체제' 책을 읽으며 학습한 내용을 정리합니다.

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• CPU는 크게 ALU, 제어장치, 레지스터로 세 개의 부품으로 구성되어 있음
• 이번 장에서는 ALU, 제어장치에 대해서 다룬다.

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1. ALU

1.1 ALU

• 계산만을 위해 존재하는 부품
• 컴퓨터 내부에서 수행되는 대부분의 계산(산술 연산, 논리 연산 등 다양한 연산)은 ALU가 도맡아 수행한다.
• ALU 내부에는 가산기, 보수기, 시프터, 오버플로우 검출기 등이 있으나 이러한 내용들은 이 책의 범위를 벗어나므로 깊이 다루지 않음

1.2 ALU의 연산에 필요한 것들

• 피연산자 : 연산에 필요한 데이터. 레지스터로부터 받는다.
• 제어신호 : 수행할 연산에 대한 전기 신호. 제어장치로부터 받는다.

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2. ALU 연산의 결과 : 결괏값, 플래그

2.1 기본적인 결괏값

• 특정 숫자, 문자, 메모리 주소를 반환하는데 이들은 레지스터에 저장된다.
• 메모리에 결괏값을 저장하면 CPU는 메모리에 더 자주 접근하게 되고, 프로그램 실행 속도를 늦추게 되므로 ALU의 연산 결괏값은 1차적으로 레지스터에 저장한다.

• 플래그 : 연산 결과에 대한 추가적인 정보. 예를 들어 이진수의 연산 결과만 놓고 봤을 때는 이게 양수인지 음수인지 판단하기 힘든데 이런 추가적인 정보를 제공하기 위해 플래그를 사용한다.

2.2 플래그의 종류

플래그는 여러가지 종류가 있고, 대표적으로 다음과 같은 플래그가 있다. 이것들 외에도 여러 플래그가 있다.

2.2.1 부호 플래그

• 연산한 결과의 부호를 나타냄
• 예) 부호 플래그가 1인 경우 계산 결과는 음수, 0인 경우 계산 결과는 양수를 의미

2.2.2 제로 플래그

• 연산 결과가 0인지 여부를 나타냄
• 예) 제로 플래그가 1인 경우 연산 결과는 0, 0인 경우 연산 결과가 0이 아님을 의미

2.2.3 캐리 플래그

• 연산 결과, 올림수나 빌림수가 발생했는지를 나타냄
• 예) 캐리 플래그가 1인 경우 올림수나 버림수가 발생했음을 의미하고, 0인 경우 발생하지 않았음을 의미

2.2.4 오버플로우 플래그

• 오버플로우가 발생했는 지를 바타냄
• 예) 오버플로우 플래그가 1인 경우 오버플로우가 발생했음을 의미하고, 0인 경우 발생하지 않았음을 의미

2.2.5 인터럽트 플래그

• 인터럽트가 가능한지를 나타냄(4-3절에서 다룸)
• 예) 인터럽트 플래그가 1인 경우 인터럽트가 가능함을 의미, 0인 경우 인터럽트가 불가능함을 의미

2.2.6 슈퍼바이저 플래그

1. 슈퍼바이저 플래그
   • 커널 모드로 실행 중인지, 사용자 모드로 실행 중인지를 나타냄(9장에서 다룸)
   • 예) 슈퍼바이저 플래그가 1인 경우 커널 모드로 실행 중임을 의미, 0인 경우 사용자 모드로 실행 중임을 의미

2.3 플래그 레지스터

• 플래그들은 플래그 레지스터라는 별도의 레지스터에 저장됨
• 플래그 레지스터에 저장된 플래그를, 제어 장치가 연산 결과 해석에 참고함

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3. 제어장치와 제어 신호

3.1 제어장치

• CPU에서 제어신호를 발생시키고, 명령어를 해석하는 부품
• CPU의 구성 요소 중 가장 정교하게 설계되어 있고, 핵심이라 할 수 있음.
• CPU 제조사마다 제어장치의 구현 방식, 명령어 해석 방식, 받아들이고 내보내는 정보에 조금씩 차이가 있을 수 있다.

3.2 제어 신호

• 컴퓨터 부품을 관리하고, 작동시키기 위한 전기 신호
• 주로 CPU의 제어장치가 발생시킴

3.3 제어 장치가 받아들이는 정보

3.3.1 클럭신호

• 클럭 : 컴퓨터의 부품들을 움직이는 시간 단위
• 클럭 주기에 맞춰, 한 레지스터에서 다른 레지스터로 데이터가 이동되거나, ALU에서 연산이 수행되거나, CPU가 메모리에 저장된 명령어를
  읽을 수 있다.
• 컴퓨터 부품들은 클럭 박자에 맞춰서 작동할 뿐, 반드시 한 박자마다 작동하지는 않는다. 하나의 명령어가 여러 클럭에 걸쳐 실행될 수도 있다.

3.3.2 해석해야 할 명령어

• CPU가 해석해야 할 명령어는 '명령어 레지스터'에 저장된다.
• 제어장치는 명령어 레지스터로부터 해석해야할 명령어를 받아들이고 해석한 뒤, 제어신호를 발생시켜 컴퓨터 부품들에게 수행해야할 내용을 알려준다.

3.3.3 플래그 레지스터 속 플래그 값

• ALU 연산에 대한 추가적인 상태 정보를 무시할 수 없기 때문에, 제어장치는 플래그 값을 받아들이고 이를 참고하여 제어신호를 발생시킨다.

3.3.4 시스템 버스의 제어버스로 전달된 제어 신호

• 입출력장치, 보조기억장치를 비롯한 여러가지 CPU 외부 장치도 제어 신호를 발생시킬 수 있다.
• 외부에서 발생한 제어 신호는 시스템 버스의 제어 버스를 통해 제어 장치에 전달된다.

3.4 제어장치가 내보내는 정보

3.4.1 CPU 외부 제어 신호

• CPU 외부에 제어 신호를 보낼 때는 제어버스를 통해 제어신호를 내보냄
• 메모리 제어 신호 : 메모리에 저장된 값을 읽거나, 메모리에 새로운 값을 쓸 때
• 입출력 장치(보조기억 장치 포함) : 입출력 장치의 값을 읽거나, 입출력 장치에 새로운 값을 쓸 때

3.4.2 CPU 내부 제어신호

• ALU에 전달하는 제어 신호 : 수행할 연산을 지시
• 레지스터에 전달하는 제어 신호 : 레지스터 간에 데이터를 이동시키거나, 레지스터에 저장된 명령어를 해석하기 위해 신호 발생

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