CPU의 논리회로 구성에서 연산장치와 제어장치에 대해 설명하세요

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목차: Ⅰ. 서론

Ⅱ. 본론

Ⅲ. 결론

본문내용: 서론

현대에는 아주 많은 종류의 컴퓨터들이 있지만, 대부분의 경우에는 공통된 구조와 동작되는 원리를 가지고 있다. 초기의 컴퓨터들도 이런 원리를 바탕으로 만들어졌지만 릴레이와 같은 기계식 부품을 활용해서 만들어진 차이점이 있다. 나중에는 중요한 부품들을 반도체 집적회로, 트랜지스터 칩으로 대체하면서 컴퓨터의 처리 속도가 지속적으로 상승하게 되었다. 그리고 반도체의 기억장치 칩이 점점 밀도가 높아지면서 저장 용량도 큰 폭으로 증가하고 최근의 경우에는 시스템의 성능을 최대한으로 높이기 위해서 한 시스템 안에 장착되어지는 CPU의 개수를 늘리거나 하나의 칩에 다수의 CPU 코어들을 포함시키는 방식도 사용하고 있다. 또한 구성 요소 사이에 연결 통로들을 고속화시키기 위해서 새로운 상호 연결 구조들을 개발하기도 한다. 이런 발전이 계속되고 있지만 컴퓨터의 근본적 설계 개념은 크게 달라지지 않았기 때문에 컴퓨터의 구조를 충분히 학습하고 가야하는 이유가 생긴다.

참고문헌: Ⅳ. 참고자료
서론
현대에는 아주 많은 종류의 컴퓨터들이 있지만, 대부분의 경우에는 공통된 구조와 동작되는 원리를 가지고 있다. 초기의 컴퓨터들도 이런 원리를 바탕으로 만들어졌지만 릴레이와 같은 기계식 부품을 활용해서 만들어진 차이점이 있다. 나중에는 중요한 부품들을 반도체 집적회로, 트랜지스터 칩으로 대체하면서 컴퓨터의 처리 속도가 지속적으로 상승하게 되었다. 그리고 반도체의 기억장치 칩이 점점 밀도가 높아지면서 저장 용량도 큰 폭으로 증가하고 최근의 경우에는 시스템의 성능을 최대한으로 높이기 위해서 한 시스템 안에 장착되어지는 CPU의 개수를 늘리거나 하나의 칩에 다수의 CPU 코어들을 포함시키는 방식도 사용하고 있다. 또한 구성 요소 사이에 연결 통로들을 고속화시키기 위해서 새로운 상호 연결 구조들을 개발하기도 한다. 이런 발전이 계속되고 있지만 컴퓨터의 근본적 설계 개념은 크게 달라지지 않았기 때문에 컴퓨터의 구조를 충분히 학습하고 가야하는 이유가 생긴다.
CPU는 연산장치와 제어장치로 구성되어 있는데 연산장치의 경우에는 중앙 처리장치의 기능 중에 연산을 수행하는 부분이며 산술 연산들을 수행해준다. 가산기와 보수기, 누산기, 인덱스 레지스터, 상태 레지스터, 데이터 레지스터가 있다. 그리고 제어장치는 명령들을 해독해서 장치에 신호를 보내게 해줘서 작동시키는 장치를 말한다. 메모리 버퍼 레지스터, 메모리 주소 레지스터, 프로그램 계수기, 부호기, 명령 해독기, 명령 레지스터, 번지 레지스터가 있다. 여기서 레지스터는 CPU안에 존재하는 임시의 기억장치를 말하는데, 가장 빠른 기억장치이면서 읽기와 쓰기가 가능하다는 특징을 가지고 있다. 래치와 플립플롭으로 구성된다.
본론
가산기는 덧셈 연산을 수행해주는 논리 회로인데 조합회로, 디지털 회로의 하나다. 가산기는 산술 논리 장치 뿐 아니라 테이블 색인, 주소 값 등을 더해주는 프로세서의 부분으로 사용되고 있다는 것을 알 수 있다. 3 초과 부호, 이진화 십진법과 같은 여러 수학적인 연산을 수행해주는 가산기를 구성하는 것도 가능하지만 보통은 2진수 합을 계산하는 방식이다. 종류에는 전가산기, 반가산기, 자리올림 예측 가산기, 리플 캐리 가산기, 자리올림 저장 가산기 등이 있다. 감산기도 존재하는데, 감산은 가산기에서 응용으로 계산하는 방식이기 때문에 가산기를 이해하면 받아들이기 쉽다. 보수기는 입력에 따라 보수를 취해주는 기능을 해준다. 논리 연산으로 생각하면 NOT에 해당하고 보수기와 가산기를 활용해서 감산을 하는 과정에서 보수를 취해야 하는 것이 필요하게 되는데, 여기서 보수기가 사용되게 된다.
누산기는 Accumulator라고 하는 산술 논리 장치의 결과들이 저장되는 레지스터이다. 레지스터가 존재하지 않으면 연산을 수행하다가 다시 읽을 수 있게 계산한 것들을 저장할 곳이 없기 때문에 연산이 불가능하다. 주 기억장치의 경우에는 레지스터에 접근하는 것에 비해서 속도가 느리기 때문에 효율이 좋지 못해서 산술 과정에서는 누산기를 적극 활용하는 이유가 되었다. 현대의 컴퓨터를 살펴보면 누산기 역할을 해주는 여러 가지 범용 레지스터들이 있기 때문에 과거에 비해서 일상적으로 사용되고 있지는 않다. 하지만 여러 가지 특수한 목적을 가지는 프로세서들은 단순화시키기 위해 누산기를 활용한다.
인덱스 레지스터는 일반적으로는 CPU에 내장되어 있는 메모리 영역에 메모리 주소를 스태핑해주고 루핑과 같은 것들을 추적하기 위해서 매루 빠른 카운터로서 사용된다. 시스템 아키텍처에 따라서 다른 프로세서 레지스터 중에 정의가 된 전용 레지스터나 범용 레지스터일 수 있다. 가장 일반적인 예시로 메모리 위치의 현재의 오프셋을 가지고 다른 레지스터들은 기본 주소를 보유하게 해서 두 레지스터의 조합으로 완료된 메모리의 주소를 만드는 방식을 사용하고 있다. 인덱스 레지스터는 특수한 기능을 가지고 있는데 CPU에 의해서 특병하게 지정된 경우에 필요에 따라서 증분이나 감소해서 메모리 주소를 스테핑하고 스택이나 배열과 같은 데이터 구조들을 탐색하는 것이 가능하다는 것이다.
상태 레지스터는 프로세서의 상태 혹은 연산 결과의 상태를 저장해주기 위한 특수 목적의 레지스터를 말한다. 덧셈이나 뺄셈 연산을 하다 보면 올림이나 빌림이 발생되게 되는데 이것을 알리기 위해서 사용된다. 올림이 발생한다는 것을 연산되는 결과로만 알아내기 어렵기 때문에 활용된다고 보면 된다. 조건부 분기 명령어의 경우에도 사용되는데 연산의 결과가 가지는 상태에 따라서 다른 방식으로 처리를 해야 하기 때문에 사용된다. 그리고 인터럽트를 받아들일 것인지 아닌지를 결정해주는 인터럽트 마스크 비트의 경우에도 상태 레지스터에 포함된다. 구조는 Interrupt Mask Bit, Parity, OVerflow, Zero, Sign, Negative, Half-Carry, Auxilarry Carry, Carry가 있다. 데이터 레지스터는 연산에 사용되게 되는 데이터들을 기억해주는 레지스터를 말한다.
메모리 버퍼 레지스터는 메모리에 쓰거나 읽게 되는 데이터나 명령을 잠깐 저장해준다. 여기에 배치된 명령은 명령어 레지스터로 전달되고 데이터의 내용은 누산기나 I/O로 전송되게 된다. 즉 메모리 버퍼 레지스터는 메모리를 읽고 메모리에 사용되게 하는 데이터나 명령을 저장하는 것에 사용되게 된다. 메모리 주소 레지스터는 CPU가 데이터를 쓰거나 읽는 과정에서의 메모리 주소를 일시적으로 저장해주는 곳이다. CPU가 메모리의 일부분의 데이터를 저장하고 싶거나 메모리에서 데이터를 읽어오고 싶을 때 필요한 메모리의 주소를 메모리 주소 레지스터에 저장하게 된다.
프로그램 계수기는 프로그램 카운터라고도 하는데 레지스터를 명령어 포인터의 레지스터라고 부르기도 한다. 프로세서가 다음으로 수행할 명령의 주소를 임시로 저장해주는데, 명령을 가져오게 되면 프로그램 계수기는 값이 증가하게 된다. 그래서 이 레지스터의 경우에는 항상 다음에 수행되는 명령을 가르켜주거나 현재의 명령 주소를 유지하고 있다. 부호기는 해독된 명령어들을 신호로 생성해주는 회로를 말한다. 명령 해독기는 명령 레지스터에 존재하는 명령을 해독해주는 회로를 말한다.
명령 레지스터 명령 계수기에서 지정해주는 번지에 기억되고 있는 명령어를 호출하고 해독하기 위해서 명령어를 잠시만 보관해두고 있는 특수한 목적의 레지스터를 말한다. 현재 실행되고 있거나 디코딩 되고 있는 명령이 보관되어진 CPU 제어장치의 일부인데, 단순한 프로세서의 경우에는 실행되는 각각의 명령이 명령 레지스터에 적재되는 것을 알 수 있다. 제어장치는 명령어 레지스터에서 지시를 받고 컴퓨터에서 해당하는 구성요소에 신호를 전달해서 명령을 해석한 다음에 실행한다. I/O 주소 레지스터와 I/O 버퍼 레지스터가 있는데, I/O 주소 레지스터는 특정한 I/O 입출력 장치에서 주소를 지정해주는데 사용된다. I/O 버퍼 레지스터는 I/O 모듈과 프로세서 사이에서의 데이터를 교환해주는데 사용된다.
결론
CPU 논리 회로의 구성에서 연산장치, 제어장치에는 무엇이 있는지 학습해보았다.
참고자료
김종현. 2019. 생능출판. 컴퓨터구조론

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