CPU 내 명령어 실행 흐름

CPU 내에는 ALU(산술논리연산장치), 제어장치, 레지스터가 있다.

 

- ALU: 컴퓨터 내부에서 수행되는 계산을 수행

- 제어장치: 제어 신호라는 전기 신호를 내보내고 명령어를 해석하는 장치

   ex. CPU가 메모리에 저장된 값을 읽고 싶을 때 메모리를 향해 메모리 읽기라는 제어 신호를 보냄

- 레지스터: CPU 내부의 작은 임시 저장 장치 / 프로그램을 실행하는 데 필요한 값들을 임시로 저장 / CPU 내부에는 여러 개의 레지스터가 존재

 

+ 메모리(RAM)는 CPU 외부에 있지만, CPU가 데이터를 가져오거나 저장하기 위해 항상 메모리와 통신해야 한다.
즉, 명령어를 실행하는 중심은 CPU지만, 필요한 데이터는 대부분 메모리에 있기 때문에 외부와도 계속 연결된다.

 

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CPU내 이런 장치들이 명령어를 처리하는 흐름을 간단히 적어보도록 하겠다.

 

F -> D -> E  사이클

1. 명령어 인출 (Instruction Fetch)

• 제어장치는 프로그램 카운터(PC) 가 가리키는 메모리 주소를 확인
  • PC는 현재 실행 중인 프로그램에서 다음에 실행할 명령어가 있는 메모리 주소를 가리킨다
• 해당 주소에 저장된 명령어를 메모리로부터 읽기 위해 제어신호를 보냄 (Memory Read)
• 메모리는 해당 명령어를 데이터 버스를 통해 CPU로 전달
• 명령어는 명령어 레지스터(IR) 에 저장됨

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2. 명령어 해석 (Instruction Decode)

• 제어장치는 명령어 레지스터(IR)에 저장된 명령어를 해독
  • IR은 인출된 명령어를 임시로 저장하여 제어장치가 해석할 수 있게 한다 
  • 어떤 연산인지? (ex. 덧셈, 저장, 비교 ...etc)
  • 어떤 오퍼랜드가 필요한지? (레지스터, 메모리 주소 ...etc)
    • 오퍼랜드: 연산에 사용되는 데이터(혹은 저장된 위치!)
• 필요한 경우 추가로 메모리에서 데이터를 가져오도록 준비

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3. 명령어 실행 (Execute)

• 해석된 명령어에 따라 ALU(산술 논리 장치) 를 동작시키거나,
• 메모리 읽기/쓰기, 레지스터 간 데이터 이동 등 수행
• 결과를 레지스터 또는 메모리에 저장

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4. 결과 저장 및 다음 명령어 준비

• 연산 결과가 목적지에 저장된 후,
  • 제어장치는 PC 값을 증가시켜 다음 명령어로 이동
    • PC 값을 증가시키지만 분기 명령(Jump 등)의 경우 PC는 단순히 증가하지 않고 다른 주소로 점프할 수도 있다
  • 다시 Fetch → Decode → Execute 사이클 반복