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중앙처리장치(CPU: Central Processing Unit)는 사람의 두뇌와 같이 컴퓨터 시스템에 부착된 모든 장치의 동작을 제어하고 명령을 실행하는 장치입니다. 중앙 처리장치는 제어장치, 연산장치, 레지스터 그리고 이들을 연결하여 데이터를 전달하는 버스로 구성되어 있습니다.

CPU는 어떻게 작동할까?

[H/W] 중앙처리장치(CPU)란 무엇인가? CPU의 구조 총정리

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중앙처리장치란

중앙처리장치의 대표적인 구성장치

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CPU의 개념

CPU의 구성요소

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역사[편집]

연산[편집]

설계와 구현[편집]

성능[편집]

CPU 메이커[편집]

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04. 프로세서 - 중앙처리장치 구성요소 :: 류프리 — 04. 프로세서 – 중앙처리장치 구성요소 :: 류프리

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[H/W] 중앙처리장치(CPU)란 무엇인가? CPU의 구조 총정리

중앙처리장치란?

중앙처리장치(CPU: Central Processing Unit)는 사람의 두뇌와 같이 컴퓨터 시스템에 부착된 모든 장치의 동작을 제어하고 명령을 실행하는 장치입니다. 중앙 처리장치는 제어장치, 연산장치, 레지스터 그리고 이들을 연결하여 데이터를 전달하는 버스로 구성되어 있습니다.

중앙처리장치의 대표적인 구성장치

제어장치

제어장치(Control Unit)는 컴퓨터에 있는 모든 장치들의 동작을 지시하고 제어하는 장치입니다. 제어장치는 명령 레지스터에서 읽어들인 명령어를 해독하여 해당하는 장치에게 제어 신호를 보내 정확하게 수행하도록 지시합니다.

제어장치의 구성요소

명령 레지스터 : 현재 실행중인 명령어의 내용을 기억하고 있습니다.

명령 해독기(Decoder) : 명령 레지스터에 있는 명령어를 해독하는 회로입니다.

제어신호 발생기, 부호기(Encoder) : 해독된 명령에 따라 각 장치로 보낼 제어 신호를 생성하는 회로입니다.

제어 주소 레지스터(CAR) : 다음에 실행할 마이크로명령어의 주소를 저장하는 레지스터로, Mapping의 결과값, 주소 필드, 서브루틴 레지스터의 내용들이 적재되어 있습니다.

제어 버퍼 레지스터(CBR) : 제어 기억장치로부터 읽혀진 마이크로명령어 비트들을 일시적으로 저장하는 레지스터입니다.

제어 기억장치 : 마이크로 명령어들로 이루어진 마이크로명령어 비트들을 일시적으로 저장하는 레지스터입니다.

순서 제어 모듈 : 마이크로명령어의 실행 순서를 결정하는 회로들의 집합입니다.

순차카운터(Sequence counter) : 디코더에 의해 선택된 번호에 해당하는 타이밍신호를 생성합니다.

연산장치

연산장치(ALU, Artihmetic)는 제어장치의 명령에 따라 실제로 연산을 수행하는 장치입니다. 연산장치가 수행하는 연산에는 산술연산, 논리연산, 관계연산, 이동등이 있으며 연산장치는 가산기, 누산기, 보수기, 데이터 레지스터, 오버플로 검출기, 시프트레지스터등으로 구성되어 있습니다.

레지스터

레지스터(Register)는 CPU 내부에서 처리할 명령어나 연산의 중간 결과값 등을 일시적으로 기억하는 임시 기억장소입니다.

레지스터의 특징

레지스터는 플립플롭이나 래치들을 병렬로 연결하여 구성합니다.

레지스터는 메모리 중에서 속도가 가장 빠릅니다.

레지스터의 크기는 워드를 구성하는 비트 개수만큼의 플립플롭을 구성되며, 여러개의 플립플롭은 공통 클록의 입력에 의해 동시에 여러 비트의 자료가 저장됩니다.

레지스터를 구성하는 플립플롭은 저장하는 값을 임의로 설정하기 위해 별도의 입력 단자를 추가할 수 있으며, 저장값을 0으로 하는 것을 설정해제(CLR)이라 합니다.

버스

버스는 CPU, 메모리, I/O 장치 등과 상호 필요한 정보를 교환하기 위해 연결된 공동의 전송선입니다.

컴퓨터 내부 회로에서 버스선(Bus Lines)을 사용하는 목적은 결선수를 줄이기 위해서입니다.

메모리나 입 출력 장치가 제대로 동작하려면 버스를 통해 전달되는 제어 신호 어드레스 신호 및 데이터 신호의 상호 시간적 관계가 잘 유지되어야 합니다.

전송하는 정보에 따른 분류

번지 버스(Address Bus) : CPU가 메모리나 입 출력기기의 번지를 지정할 때 사용하는 단방향 전송선

자료 버스(Data Bus) : CPU와 메모리 또는 입 출력 기기 사이에서 데이터를 전송하는 양방향 전송선

제어 버스(Control Bus) : CPU의 현재 상태나 상태 변경을 메모리 또는 입출력장치에 알리는 제어신호를 전송하는데 사용하는 양방향 전송선

버스 위치에 따른 분류

내부버스 : CPU 및 메모리 내에 구성된 Bus

외부버스 : 주변 입출력 장치에 구성된 Bus

CPU의 개념 및 구성 요소 (중앙처리장치)

CPU의 개념

CPU(Central Processing Unit)는 사람의 두뇌와 같이 입력장치로부터 자료를 받아 연산하고 그 결과를 출력장치로 보내는 일련의 과정을 제어 및 조정하는 핵심장치다. 중앙처리장치는 제어장치, 연산장치, 레지스터로 구성된다.

* 원래 중앙처리장치(CPU)는 제어장치, 연산장치, 레지스터가 별도로 존재하는 회로 기판이었다. 그러나 한 개의 반도체 칩에 제어장치와 연산장치를 장착한 마이크로프로세서가 개발되면서 마이크로프로세서를 CPU로 사용하고 있다.

CPU의 구성요소

✔ 제어장치(Control Unit) : 컴퓨터에 있는 모든 장치들의 동작을 지시하고 제어하는 장치이다.

˙ 명령 레지스터에서 읽어 들인 프로그램 코드(명령어)를 해석하고, 해당하는 장치에 제어 신호를 보내 정확하게 실행하도록 지시.

˙ 프로그램 카운터(PC), 명령어 레지스터(IR), 부호기(제어신호 발생기), 명령어 해독기, 번지 해독기 등으로 구성.

˙ 명령어의 실행(Instruction Cycle) 단계 : 인출(Fetch) 단계, 간접(Indirect) 단계, 실행(Execute) 단계, 인터럽트(Interrupt) 단계

단계 동작설명 인출(Fetch) ˙ 메모리에서 데이터를 로드하여 CPU에 있는 레지스터에 적재하는 과정 간접(Indirect) ˙ 메모리를 참조할 때 간접주소 방식을 사용하는 경우에 실행

˙ 간접주소란 CPU가 메모리를 참조했을 때 데이터가 존재하는 것이 아니라 메모리에 주소가 존재하여 메모리 내에서 한 번 더 조회해서 데이터를 얻는 것

실행(Execute) ˙ 명령과 데이터로 CPU가 산술 및 논리연산을 수행하는 것 인터럽트(Interrupt) ˙ 컴퓨터 작동 중 예기치 않은 문제 발생 시 업무 처리가 계속될 수 있도록 하는 컴퓨터 운영체제의 한 기능으로, 크게 하드웨어 인터럽트와 소프트웨어 인터럽트로 나뉨

˙ SVC 하드웨어 인터럽트 : 기계착오 인터럽트, 외부 인터럽트, 입출력 인터럽트, 프로그램 검사 인터럽트

˙ 소프트웨어 인터럽트 : CPU 내부에서 자신이 실행한 명령이나 CPU의 명령 실행에 관련된 모듈이 변화하는 경우 발생

✔ 연산장치(ALU; Arithmetic & Logic Unit) : 제어장치의 명령에 따라 실제로 연산을 수행하는 장치이다.

˙ 연산장치가 수행하는 연산에는 산술연산, 논리연산, 관계연산, 이동(Shift) 등이 있다.

˙ 연산장치는 가산기, 누산기(AC; Accumulator), 보수기, 데이터 레지스터, 오버플로 검출기, 시프트 레지스터 등으로 구성.

중앙처리장치 구성 요소

✔ 레지스터(Register) : CPU 내부에서 처리할 명령어나 연산의 결과나 주소 등을 일시적으로 기억하는 임시 기억 장소이다.

˙ 메모리 중에서 속도가 가장 빠름.

˙ 레지스터에 새로운 데이터가 전송되면 기존에 있던 내용은 지워지고 새로운 내용만 기억.

˙ 레지스터는 연산 속도를 향상하기 위해 사용.

˙ 레지스터의 종류 및 기능

레지스터 기능 프로그램 카운터

(PC; Program Counter) 다음에 수행할 명령어가 저장된 주기억장치의 번지를 지정하는 레지스터 명령 레지스터

(IR; Instruction Register) 현재 실행중인 명령의 내용을 기억하는 레지스터 누산기(AC; Accumulator) 연산된 결과를 일시적으로 저장하는 레지스터로 연산의 중심이 됨 ˙ 상태 레지스터(Status Register)

˙ PSWR

(Program Status World Register)

˙ 플래그 레지스터(Flag Register)

˙ 시스템 내부의 순간 순간의 상태가 기록된 정보를 PSW라고 함

˙ 오버플로, 언더플로, 자리올림, 인터럽트 등의 PSW를 저장하고 있는 레지스터

˙ 제어장치와 연산장치의 실행 순서를 제어하기 위해 사용되는 레지스터 메모리 주소 레지스터

(Memory Address Register) 기억장치를 출입하는 데이터의 번지를 기억하는 레지스터 메모리 버퍼 레지스터

(Memory Buffer Register) ˙ 기억장치를 출입하는 데이터가 잠시 기억되는 레지스터

˙ 버퍼 레지스터라고도 함 인덱스 레지스터

(Index Register) 주소의 변경, 서브루틴 연결 및 프로그램에서의 반복 연산의 횟수를 세는 레지스터 데이터 레지스터

(Data Register) 연산에 사용될 데이터를 기억하는 레지스터 Shift Register ˙ 클럭 펄스(Clock Pulse)에 의해서 기억된 내용을 왼쪽 또는 오른쪽으로 1bit씩 자리를 이동시키는 레지스터

˙ 2배 길이 레지스터라고도 함

✔ 내부 CPU 버스 : ALU와 레지스터 간의 데이터 이동을 위한 경로이다.
[참고]
정보처리기능사 필기 (2017)

이기적 정보보안기사(산업기사) 실기 | 1권 이론서

중앙 처리 장치

CPU는 여기로 연결됩니다. 다른 뜻에 대해서는 는 여기로 연결됩니다. 다른 뜻에 대해서는 CPU (동음이의) 문서를 참고하십시오.

핀이 있는 PGA 의 AMD 라이젠 3700X

중앙 처리 장치(中央處理裝置) 또는 CPU(영어: central processing unit, central/main processor)는 컴퓨터 시스템을 통제하고 프로그램의 연산을 실행 · 처리하는 가장 핵심적인 컴퓨터의 제어 장치, 혹은 그 기능을 내장한 칩이다. 컴퓨터 안의 중앙 처리 장치(CPU)는 외부에서 정보를 입력받고, 기억하고, 컴퓨터 프로그램의 명령어를 해석하여 연산하고, 외부로 출력하는 역할을 한다. 따라서 중앙 처리 장치(CPU)는 컴퓨터 부품과 정보를 교환하면서 컴퓨터 시스템 전체를 제어하는 장치로, 모든 컴퓨터의 작동과정이 중앙 처리 장치(CPU)의 제어를 받기 때문에 컴퓨터의 두뇌에 해당한다고 할 수 있다. 실제의 CPU 칩엔 실행 부분뿐만 아니라 캐시 등의 부가 장치가 통합된 경우가 많다.

CPU에는 MCU(Micro Control Unit)와 주변 장치(외부 확장 장치에 관한 IC)가 다 들어있는 Soc(System On Chip)가 있다. 주변 IC가 따로 달려 있을 경우, 그것은 MCU라고 할 수 있다.

CPU는 기계어로 쓰인 컴퓨터 프로그램의 명령어를 해석하여 실행한다. CPU는 프로그램에 따라 외부에서 정보를 입력받아,이를 기억하고, 연산하며, 결과를 외부로 출력한다. CPU는 컴퓨터 부품과 정보를 교환하면서 컴퓨터 전체의 동작을 제어한다.

기본 구성으로는 CPU에서 처리할 명령어를 저장하는 역할을 하는 프로세서 레지스터, 비교, 판단, 연산을 담당하는 산술논리연산장치(ALU), 명령어의 해석과 올바른 실행을 위하여 CPU를 내부적으로 제어하는 제어부(control unit)와 내부 버스 등이 있다.

각종 전자 부품과 반도체 칩을 하나의 작은 칩에 내장한 전자 부품을 마이크로프로세서라고 한다. 마이크로프로세서는 전기 밥통에 쓰이는 낮은 성능의 제품부터 컴퓨터에 쓰이는 높은 성능의 제품까지 매우 다양하다. 마이크로프로세서들 가운데 가장 복잡하고 성능이 높은 제품은 컴퓨터의 연산 장치로 쓰인다. 이것을 중앙 처리 장치라고 한다.

역사 [ 편집 ]
CPU의 출현 [ 편집 ]
‘고정된-프로그램 컴퓨터’라고 불리는 ENIAC같은 컴퓨터는 다른 종류의 작업을 하기 위해 전선을 재배열 하는 과정이 필요했다. “CPU”라는 용어가 소프트웨어의 실행을 위한 장치로 불리게 된 이래로, CPU라고 불릴 수 있는 장치의 출현은 프로그램 내장 방식 컴퓨터의 출현 덕분이었다.

프로그램 내장 방식 컴퓨터는 J.Presper Eckrt와 John Willian Mauchly’s의 ENIAC 설계에도 이미 어느 정도 드러나 있다. 하지만 ENIAC을 빨리 제작하기 위해서 생략되었다. ENIAC이 만들어지기 전인 1945년 6월 30일 수학자 폰 노이만은 ‘EDVAC 초안에 대한 보고’라는 논문을 발표했다. 이것은 프로그램 내장 방식 컴퓨터의 개요로써 1949년에 완전히 정립되었다. EDVAC은 일정한 수의 다양한 작업을 수행하기 위해 고안되었다. 확실한 것은, EDVAC 프로그램은 물리적 선의 연결이 아니라 빠른 속도의 컴퓨터 메모리에 저장된다는 것이다. 이것은 새로운 작업을 수행하기 위해서는 상당한 시간과 노력이 필요한 ENIAC의 한계를 이겨내는 데 도움을 주었다. 폰 노이만의 디자인은 소프트웨어(프로그램)를 단순히 메모리에 있는 내용을 바꾸는 것 만으로 손쉽게 실행할 수 있게 만들어 주었다. 하지만 EDVAC은 최초의 프로그램 내장방식 컴퓨터는 아니었다. 맨체스터 대학교의 SSEM(Small-Scale Experimental Machine)과 마크 1이 프로그램 내장 방식 컴퓨터의 초기 버전이다.

트랜지스터와 집적회로 CPU의 등장 [ 편집 ]
트랜지스터 CPU는 트랜지스터 발명 이후 등장했다. 트랜지스터는 같은 역할을 하던 진공관을 빠르게 대체하여 CPU의 부피를 줄일 수 있게 되었다

마이크로프로세서 [ 편집 ]
페드리코 페긴이 1970년대에 발명한 것은 CPU의 설계와 구현에 대한 전반적인 기초를 완전히 바꾸어 놓았다. 1970년에 등장한 최초의 상업용 마이크로프로세서(Intel 4004)와 1974년의 최초의 범용 마이크로프로세서(Intel 8080) 이후로 생겼다.

연산 [ 편집 ]
모든 CPU에서 메모리에 저장된 명령어들을 순서대로 불러와서 실행한다는 사실은 물리적형태와는 관계없이 동일하다. 그리고 CPU가 이 동작을 수행하기 위해서는 꺼내고, 해독하고, 실행하는 5단계가 필요하다. 마지막 단계에서 명령어를 실행하고난 이후에는 다시 이 다섯 단계의 명령 주기가 반복되며, 프로그램 카운터의 변화된 위치에서 실행될 명령어를 불러오게 된다.

인출 [ 편집 ]
첫 번째 단계인 인출(Fetch)은 프로그램의 메모리에서 명령어를 불러오는 역할을 한다. 프로그램 내부의 명령어의 위치(주소)

해독 [ 편집 ]
두 번째 단계인 해독(Decode)은 인출 단계에서 가져온 명령어를 해독하여 명령어 내의 데이터 정보와 연산 정보를 추출한 뒤, 중앙처리 장치 내의 각 장치에 적절한 제어신호를 보내 연산, 처리에 대한 준비를 하는 단계이다.

실행 [ 편집 ]
실행(Execute)은 명령어에서 추출한 두 데이터와 연산 정보를 이용해 실제로 연산을 하는 단계를 말한다. 연산이 끝난 결과는 곧바로 다음 명령어에서 사용될지, 그렇지 않을지에 따라 메모리 단계로 갈지, 라이트백 단계로 갈지 결정된다.

메모리 [ 편집 ]
네 번째 단계인 메모리(Memory)는 연산결과가 다음 명령어에 바로 사용되지 않는다면, 결과를 메모리에 저장하는 것을 말한다.

라이트백 [ 편집 ]
연산의 마지막 단계인 라이트백(Write-Back)은 이전 명령어의 연산 결과가 다음 명령어의 입력 데이터로 사용될 경우, 계산 결과를 레지스터에 다시 쓰는 것을 말한다.

설계와 구현 [ 편집 ]
기본적인 CPU의 구조

기본 구성으로는 CPU에서 처리할 명령어를 저장하는 역할을 하는 프로세서 레지스터, 비교, 판단, 연산을 담당하는 산술논리연산장치(ALU), 명령어의 해석과 올바른 실행을 위하여 CPU를 내부적으로 제어하는 제어부(control unit)와 내부 버스 등이 있다.

CPU의 내장회로는 CPU가 수행할 수 있는 기본적인 연산들의 집합인 ‘명령어 집합’으로 이루어져있다. 예를 들면 두 개의 숫자에 대한 가감연산 혹은 비교연산 같은 것이 있다. 각각의 기본 연산은 옵코드(opcode)라고 불리는 특정한 비트의 조합으로 나타내진다.

모든 명령어의 실제 수학적인 연산은 CPU 내부의 산술논리장치(ALU, arithmetic logic unit)이라는 조합논리회로에서 담당한다. CPU는 대부분 산술논리장치가 연산을 수행하기 위한 명령어를 메모리로부터 불러오고, 연산의 결과값을 저장하는 일을 한다. 메모리로부터 데이터를 불러오는 연산의 명령어 집합의 종류와 동작은 확연한 차이를 보인다.

성능 [ 편집 ]
중앙 처리 장치의 성능은 크게 클럭(Clock) 속도와 코어 수로 결정된다.

클럭 [ 편집 ]
CPU에서 클럭이라고 하는 수치는 중앙 처리 장치 내부에서 일정한 주파수를 가지는 신호로 이 신호에 동기화되어서 중앙 처리 장치의 모든 명령어가 동작되게 된다. 예를 들어, 클럭 수가 3.0GHz이면 초당 30억 번의 명령어 처리를 할 수 있다는 말이다. 따라서 클럭 주파수가 빠를수록 제한된 시간에 더 많은 명령을 처리할 수 있기에 더 좋은 성능의 중앙 처리 장치라고 할 수 있다.

코어 [ 편집 ]
중앙 처리 장치안의 코어의 수로도 성능의 차이가 난다. 코어는 중앙 처리 장치의 역할을 하는 블록으로 예전에는 한 개의 칩 안에는 한 개의 코어의 구조를 가진 싱글코어가 다수였지만 최근에는 한 개의 칩 안에 여러 개의 코어를 가지는 멀티코어 구조를 채택하고 있다.

싱글 코어 [ 편집 ]
싱글 코어(Single Core)는 하나의 코어로 이루어진 CPU이다. 일반적으로 멀티 코어에 비해 경비가 싸고 프로그래밍도 간단하지만 보수 작업이나 고장의 경우에는 시스템이 완전히 멈추고 수많은 작업을 잘 분산시키지 못해 멀티 코어에 비해 처리 속도가 느리다는 단점이 있다.

멀티 코어 [ 편집 ]
이 부분의 본문은 이 부분의 본문은 멀티 코어 입니다.

한 개의 칩 안에 여러 개의 연산을 처리할 수 있는 장치를 병렬적으로 연결한 멀티 코어 시스템을 통하여 더 좋은 성능의 중앙 처리 장치를 얻을 수 있게 된다. 하지만 프로그램을 작성할 때 멀티코어를 활용할 수 있도록 코딩해야 한다. 그렇지 않으면 멀티코어 CPU라도 멀티코어를 활용 못할 수 있다. 싱글 코어 및 다중 코어를 칭하는 명칭은 다음과 같다.

코어의 개수 명칭 1 싱글 코어 2 듀얼 코어 3 트리플 코어 4 쿼드 코어 6 헥사 코어 8 옥타 코어 10 데카 코어 12 도데카 코어 16 헥사 데시멀 코어

현재는 코어의 속도를 높이기 힘든 한계에 왔기 때문에, 속도보다는 병렬성을 높이는 것에 집중하여 CPU 다이에 64개의 코어를 넣은 AMD EPYC 7742 서버용 CPU도 출시되었다.

CPU 메이커 [ 편집 ]
이 부분의 본문은 이 부분의 본문은 CPU 아키텍처 입니다.

대중적인 운영 체제하의 CPU 설계 또는 제작사

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