[CS] CPU의 내부 구성 - ALU와 제어장치

About this offer

CPU는 메모리에 저장된 명령어를 읽고 해석하여 실행한다. 그 과정에서 ALU는 실제 계산을 담당 하고, 제어장치는 명령어를 해석하여 컴퓨터의 여러 부품이 어떻게 동작할지 제어 신호를 보낸다. 한 줄 요약: ALU는 계산하고, 제어장치는 명령어를 해석해 각 부품을 제어한다. 핵심 요약 ALU 는 산술·논리 연산을 수행한다. ALU는 레지스터에서 피연산자 , 제어장치에서 제어 신호 를 받는다. ALU는 연산 결과와 함께 플래그 를 내보낸다. 연산 결과는 주로 레지스터 에 저장된다. 플래그 는 연산 결과에 대한 추가 정보를 나타낸다. 제어장치 는 명령어를 해석하고 CPU 내부와 외부에 제어 신호 를 보낸다. 1. CPU의 내부 구성 앞서 CPU에는 크게 다음과 같은 구성 요소가 있다고 배웠다. CPU │ ├─ ALU │ └─ 계산 │ ├─ 제어장치 │ └─ 명령어 해석 및 제어 │ └─ 레지스터 └─ 임시 데이터 저장 이번 강의에서는 이 중 ALU와 제어장치 를 자세히 살펴본다. 2. ALU란? ALU(Arithmetic Logic Unit) 는 CPU 내부에서 계산을 담당하는 장치 다. 이름 그대로 크게 두 종류의 연산을 수행한다. Arithmetic → 산술 연산 Logic → 논리 연산 예를 들어 10 + 20 10 - 5 A AND B A OR B 같은 계산을 처리한다. 하지만 ALU가 계산하려면 두 가지 정보가 필요하다. 계산할 값 어떤 계산을 수행할지 3. ALU가 받아들이는 정보 ALU는 크게 피연산자와 제어 신호 를 받아들인다. 레지스터 │ │ 피연산자 ↓ ┌─────────┐ │ ALU │ └─────────┘ ↑ │ 제어 신호 │ 제어장치 피연산자 피연산자(Operand) 는 계산에 사용되는 값이다. 예를 들어 10 + 20 이라면 10, 20 → 피연산자 + → 수행할 연산 이다. ALU는 이러한 피연산자를 레지스터를 통해 전달받는다. 제어 신호 ALU가 어떤 연산을 수행해야 하는지는 제어장치가 보내는 제어 신호 를 통해 전달받는다. 피연산자 + 제어 신호 ↓ ALU ↓ 연산 수행 4. ALU가 내보내는 정보 ALU가 연산을 끝내면 크게 두 종류의 정보를 내보낸다. ALU │ ├─ 연산 결과 │ └─ 플래그 연산 결과 예를 들어 ALU가 10 + 20 을 계산했다면 30 이라는 결과가 만들어진다. 이 결과는 일반적으로 레지스터에 저장 된다. ALU ↓ 연산 결과 ↓ 레지스터 왜 바로 메모리에 저장하지 않을까? CPU가 레지스터에 접근하는 것이 메모리에 접근하는 것보다 빠르기 때문 이다. 연산할 때마다 결과를 메모리에 저장한다면 메모리 접근 횟수가 증가한다. 따라서 CPU 내부에서 사용할 값은 레지스터를 적극적으로 활용한다. 5. 플래그란? ALU는 단순히 계산 결과만 내놓는 것이 아니다. 연산 결과에 대한 추가 정보 도 함께 내보내는데, 이를 플래그(Flag) 라고 한다. 예를 들어 결과가 0인지? 음수인지? 자리 올림이 발생했는지? 오버플로우가 발생했는지? 같은 정보를 나타낼 수 있다. 플래그 정보는 플래그 레지스터(Flag Register) 에 저장된다. 대표적인 플래그 플래그 의미 부호 플래그 연산 결과의 부호 정보 제로 플래그 연산 결과가 0인지 캐리 플래그 올림수나 빌림수가 발생했는지 오버플로우 플래그 오버플로우가 발생했는지 인터럽트 플래그 인터럽트를 허용할 수 있는지 슈퍼바이저 플래그 커널/사용자 모드 관련 정보 제로 플래그 예시 10 - 10 ↓ 0 결과가 0 이므로 제로 플래그 를 통해 이를 알 수 있다. 오버플로우 플래그 CPU가 표현할 수 있는 범위를 벗어난 연산 결과가 발생했는지를 나타낸다. 즉, 플래그는 CPU가 이후 명령어를 처리할 때 사용할 수 있는 연산 결과에 대한 상태 정보 라고 생각하면 된다. 6. 제어장치란? 제어장치(Control Unit) 는 명령어를 해석하고 컴퓨터의 여러 부품에 제어 신호를 보내는 장치 다. 쉽게 생각하면 ALU → 실제 계산 담당 제어장치 → 무엇을 해야 할지 지시 라고 구분할 수 있다. 7. 제어장치가 받아들이는 정보 제어장치는 크게 다음과 같은 정보를 받아들인다. 제어장치 ← 클럭 ← 해석할 명령어 ← 플래그 ← 외부에서 들어오는 제어 신호 1 클럭 클럭(Clock) 은 컴퓨터의 여러 부품이 움직이는 시간 단위 역할을 하는 신호 다. Tick → Tick → Tick → Tick 처럼 일정한 박자에 맞춰 발생한다. 컴퓨터 부품들은 이 클럭 신호에 맞춰 작업을 수행한다. 클럭이 한 번 발생할 때마다 반드시 하나의 명령어가 끝난다는 의미는 아니다. 하나의 명령어가 실행되는 데 여러 클럭이 필요할 수도 있다. 2 해석할 명령어 제어장치의 중요한 역할 중 하나가 명령어 해석 이다. 앞에서 명령어는 연산 코드 + 오퍼랜드 로 구성된다고 배웠다. 제어장치는 현재 실행할 명령어를 받아 어떤 연산을 해야 하는가? 어떤 부품을 움직여야 하는가? 를 판단한다. 3 플래그 제어장치는 플래그 레지스터의 값 도 참고한다. 예를 들어 이전 연산 결과가 0인지 음수인지 오버플로우가 발생했는지 등을 확인하여 이후 동작을 결정하는 데 사용할 수 있다. 4 제어 신호 CPU 외부에서도 제어 신호가 들어올 수 있다. 즉, 제어 신호는 제어장치만 만들어내는 것이 아니다. 입출력장치 등 외부 장치에서도 CPU로 제어 신호가 전달될 수 있다. 8. 제어장치가 내보내는 정보 제어장치는 명령어를 해석한 뒤 제어 신호를 내보낸다. 이 신호는 크게 CPU 내부 와 외부 로 나눠 생각할 수 있다. CPU 내부 제어장치 │ ├─→ ALU │ └─→ 레지스터 예를 들어 ALU에 "덧셈을 수행해라" 와 같은 제어 신호를 보낼 수 있다. 레지스터에도 데이터를 저장하거나 이동하기 위한 제어 신호를 전달한다. CPU 외부 CPU 외부의 메모리 입출력장치 에도 제어 신호를 전달한다. 예를 들어 메모리에 "이 주소의 데이터를 읽어라" "이 주소에 데이터를 저장해라" 와 같은 동작을 요청할 수 있다. 9. ALU와 제어장치 한 번에 이해하기 전체 흐름을 간단하게 보면 다음과 같다. 명령어 ↓ ┌───────────┐ │ 제어장치 │ └───────────┘ ↓ ↓ 제어 신호 제어 신호 ↓ 레지스터 → ALU │ │ 피연산자 │ └──────→ │ ↓ 연산 ↓ ┌──────┴──────┐ ↓ ↓ 연산 결과 플래그 ↓ ↓ 레지스터 플래그 레지스터 즉, 제어장치가 무엇을 할지 결정하고, ALU가 실제 계산을 수행한다. 라고 기억하면 이해하기 쉽다. 게임 개발과 연결해서 생각하기 C#에서 다음 코드를 실행한다고 생각해보자. int currentHp = 100; int damage = 30; currentHp -= damage; if (currentHp == 0) { // 사망 처리 } 개발자 입장에서는 단순한 코드지만 CPU 수준에서는 필요한 값 준비 ↓ ALU에서 뺄셈 수행 ↓ 결과 저장 ↓ 비교 연산 수행 ↓ 연산 결과에 따른 상태 확인 ↓ 다음 명령어 결정 같은 과정이 필요하다. C# 코드가 CPU에서 그대로 실행되는 것은 아니지만, 최종적으로 기계 명령어가 실행될 때 레지스터·ALU·제어장치가 서로 협력한다는 큰 그림 을 이해하는 것이 중요하다. 이 내용은 이후 CPU 레지스터 명령어 사이클 조건 분기 CPU 성능 명령어 병렬 처리 등을 이해하는 기반이 된다. 질문 포인트 Q. ALU의 역할은 무엇인가요? ALU는 CPU 내부에서 산술 및 논리 연산을 담당한다. 레지스터로부터 피연산자를 받고 제어장치로부터 제어 신호를 받아 연산한다. Q. 플래그란 무엇인가요? ALU의 연산 결과에 대한 부가적인 상태 정보다. 결과가 0인지, 부호가 무엇인지, 캐리나 오버플로우가 발생했는지 등을 나타낼 수 있다. Q. 제어장치의 역할은 무엇인가요? 명령어를 해석하고 CPU 내부의 ALU와 레지스터, CPU 외부의 메모리와 입출력장치 등에 제어 신호를 보내 각 부품의 동작을 제어한다. 오늘의 정리 이번 강의에서 기억해야 할 핵심은 다음과 같다. ALU는 실제 계산을 담당한다. ALU는 레지스터에서 피연산자를 받고 제어장치에서 제어 신호를 받는다. ALU는 연산 결과와 플래그를 내보낸다. 플래그는 연산 결과에 대한 추가적인 상태 정보다. 제어장치는 명령어를 해석한다. 제어장치는 CPU 내부와 외부에 제어 신호를 보낸다. 클럭은 컴퓨터 부품들이 동작하는 시간 단위 역할을 하는 신호다. 핵심 암기: ALU = 계산 제어장치 = 명령어 해석 + 제어 신호 CPU의 동작을 이해할 때는 제어장치가 무엇을 해야 할지 지시하고, ALU가 실제 연산을 수행하며, 레지스터가 필요한 값을 빠르게 보관한다 는 관계를 먼저 기억하자.