[전자계산기] 프로세서(Processor)

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<h2 id="프로세서의-종류">프로세서의 종류</h2> <h3 id="cisccomplex-instruction-set-computer">CISC(<code class="language-plaintext highlighter-rouge">Complex</code> Instruction Set Computer)</h3> <ul> <li>초창기 대부분의 컴퓨터 구조</li> <li><strong>마이크로프로그램 제어</strong> 방식을 사용</li> <li>명령어의 크기는 <strong>16~64비트</strong>, <strong>명령어의 개수</strong>는 120~305개 정도로 <strong>많은</strong> 편이다</li> <li><strong>메모리 참조 연산</strong>을 많이 수행</li> </ul> <h3 id="riscreduced-instruction-set-computer">RISC(<code class="language-plaintext highlighter-rouge">Reduced</code> Instruction Set Computer)</h3> <ul> <li><strong>하드 와이어드 제어</strong> 방식을 채택</li> <li>중요 명령어들만 <strong><code class="language-plaintext highlighter-rouge">ROM</code>에 저장</strong>시켜 처리하고 나머지 명령어들은 <strong>사용 시에 소프트웨어적</strong>으로 처리</li> <li>명령어의 길이는 <strong>32비트로 고정 크기</strong>이고 <strong>명령어의 개수</strong>도 100개 미만으로 <strong>적다</strong></li> <li><strong>레지스터 참조</strong> 연산을 많이 수행</li> </ul> <h3 id="수퍼-스칼라-risc">수퍼 스칼라 RISC</h3> <ul> <li><strong>파이프라인 병렬 처리가 가능</strong>하게 한 구조</li> <li><strong><code class="language-plaintext highlighter-rouge">RISC</code>구조의 확장형</strong>으로 명령어의 효율적인 처리를 위해 고안된 구조</li> </ul> <h3 id="vliwvery-long-instruction-word">VLIW(Very Long Instruction Word)</h3> <ul> <li><strong>수평 마이크로 명령 형식</strong>을 사용하므로 <strong>명령어의 해독이 필요</strong>없으며, 비트 하나가 <strong>하나의 명령</strong>을 의미</li> <li>하나의 <strong>명령어의 길이가</strong> 수백 비트(128~512Bit)로 <strong>크다</strong></li> </ul> <h2 id="마이크로프로세서의-구성-방법">마이크로프로세서의 구성 방법</h2> <h3 id="비트-슬라이스-마이크로프로세서bit-sliced-microprocessor">비트 슬라이스 마이크로프로세서(Bit Sliced Microprocessor)</h3> <p>Processor Unit, Micro-Program Sequencer, Control Memory 등을 <strong>각각 다른 IC에</strong> 설계한 마이크로프로세서.</p> <p>이는 주어진 특성에 맞게 동적으로 <strong>재구성이 가능</strong></p> <h3 id="단일-칩-마이크로-프로세서one-chip-microprocessor">단일 칩 마이크로 프로세서(One Chip Microprocessor)</h3> <p>Processor Unit, Micro-Program Sequencer, Control Memory가 <strong>하나의 IC</strong>로 구성된 프로세서를 의미.</p> <p>1개의 칩 안에 모든 기능을 집적한 고정된 형태를 가지므로 <strong>워드 길이, 명령 집합 등이 변경될 수 없다</strong></p> <h2 id="중앙-처리-장치cpu">중앙 처리 장치(CPU)</h2> <h3 id="cpu의-구분">CPU의 구분</h3> <ul> <li><strong>스택 구조 CPU</strong> <ul> <li>연산 대상체나 결과를 <strong>스택</strong>에 넣어두고 운용하는 CPU</li> <li>수식을 <code class="language-plaintext highlighter-rouge">Postfix</code> 표기법으로 변환 후, <strong>0-주소 명령어 형식</strong>을 사용하여 연산</li> </ul> </li> <li><strong>단일 누산기 구조 CPU</strong> <ul> <li>연산 대상체나 결과를 <strong>누산기</strong>(Accumulator)에 넣고 운용하는 CPU</li> <li><strong>1-주소 명령어 형식</strong>을 사용</li> </ul> </li> <li><strong>범용 레지스터 구조 CPU</strong> <ul> <li>연산 대상체나 결과를 <strong>레지스터나 메모리</strong>에 넣어두고 운용하는 CPU</li> <li><strong>2-주소 명령어 형식</strong>을 사용</li> </ul> </li> </ul> <h3 id="cpu의-구성">CPU의 구성</h3> <p><a href="../../assets/images/electronic-calc/cpu-architecture.png" title="https://www.geeksforgeeks.org/last-minute-notes-computer-organization/"><img src="../../assets/images/electronic-calc/cpu-architecture.png" alt="" title="CPU의 구성" class="align-center" /></a></p> <ul> <li> <p><strong>연산 장치(ALU, Arithmetic and Logic Unit)</strong><br /> 산술 연산 및 논리 연산 등을 수행하는 장치</p> <ul> <li>가산기</li> <li>누산기</li> <li>자리 올림 플립플롭</li> <li>오버플로 체크 플립플롭</li> <li>보수기 등</li> </ul> </li> <li> <p><strong>제어 장치(Control Unit)</strong><br /> 주기억 장치에 기억되어 있는 명령어를 차례로 인출하여 해독하고, 해독한 결과에 따라 필요한 제어 신호를 각 장치에 보내는 역할을 수행</p> <ul> <li>PC(Program Counter)</li> <li>IR(Instruction Register)</li> <li>명령 해독기(Instruction Decoder)</li> <li>MBR(Memory Buffer Register)</li> <li>MAR(Memory Address Register)</li> <li>순서 제어기</li> <li>주소 처리기</li> <li>신호 방생 장치 등</li> </ul> </li> <li> <p><strong>메모리(Memory)</strong><br /> 입력된 자료, 상태 자료, 중간 계산 자료, 최종 결과 자료 등을 보관하는 위치</p> </li> </ul> <h3 id="버스bus">버스(Bus)</h3> <p>CPU에서 각 부분의 정보 교환은 어드레스 버스와 데이터 버스를 통하여 이루어진다. 정보 교환을 위해 버스를 사용하는 이유는 결선의 수를 줄일 수 있는 최선의 방법이기 때문이다.</p> <ul> <li>버스의 형태 <ul> <li> <p><strong>주소 버스(Address Bus)</strong> 메모리의 특정 위치를 지정하기 위한 <strong>단방향</strong> 신호 회선으로 신호선의 수는 <strong>메모리의 최대 용량</strong>과 관계가 있다</p> <blockquote> <p>주소 버스선의 수가 <strong>N</strong>개 일 때, 메모리 용량은 <strong>2^N</strong></p> </blockquote> </li> <li> <p><strong>데이터 버스(Data Bus)</strong> CPU와 주기억 장치 사이에서 데이터를 주고받기 위한 <strong>양방향</strong> 회선으로 <strong>CPU가 한 번에 처리할 수 있는 Bit 수</strong></p> </li> <li> <p><strong>제어 버스(Control Bus)</strong> CPU나 메모리 혹은 입출력 장치에 어떤 동작을 취하게 하기 위해 <strong>제어 신호를 전달</strong>하는 <strong>단방향</strong> 신호 회선</p> </li> </ul> </li> </ul> <h3 id="cpu의-기능">CPU의 기능</h3> <ul> <li><strong>연산 기능</strong> : CPU에 있는 ALU가 수행하는 기능으로 데이터에 대해 산술 처리나 논리 처리를 수행</li> <li><strong>제어 기능</strong> : CPU에 있는 제어 장치가 수행하는 기능으로 제어 신호를 발생시켜 하드웨어 요소들을 통제</li> <li><strong>기억 기능</strong> : 정보를 일시적으로 저장하기 위한 <strong>레지스터</strong>와 CPU나 프로그램의 상태를 나타내는데 쓰이는 <strong>플래그</strong>들에 의해 수행되는 기능</li> <li><strong>전달 기능</strong> : 각 장치가 버스로 연결되어 정보를 주고받는 기능</li> </ul>

프로세서의 종류

CISC(Complex Instruction Set Computer)

• 초창기 대부분의 컴퓨터 구조
• 마이크로프로그램 제어 방식을 사용
• 명령어의 크기는 16~64비트, 명령어의 개수는 120~305개 정도로 많은 편이다
• 메모리 참조 연산을 많이 수행

RISC(Reduced Instruction Set Computer)

• 하드 와이어드 제어 방식을 채택
• 중요 명령어들만 ROM에 저장시켜 처리하고 나머지 명령어들은 사용 시에 소프트웨어적으로 처리
• 명령어의 길이는 32비트로 고정 크기이고 명령어의 개수도 100개 미만으로 적다
• 레지스터 참조 연산을 많이 수행

수퍼 스칼라 RISC

• 파이프라인 병렬 처리가 가능하게 한 구조
• RISC구조의 확장형으로 명령어의 효율적인 처리를 위해 고안된 구조

VLIW(Very Long Instruction Word)

• 수평 마이크로 명령 형식을 사용하므로 명령어의 해독이 필요없으며, 비트 하나가 하나의 명령을 의미
• 하나의 명령어의 길이가 수백 비트(128~512Bit)로 크다

마이크로프로세서의 구성 방법

비트 슬라이스 마이크로프로세서(Bit Sliced Microprocessor)

Processor Unit, Micro-Program Sequencer, Control Memory 등을 각각 다른 IC에 설계한 마이크로프로세서.

이는 주어진 특성에 맞게 동적으로 재구성이 가능

단일 칩 마이크로 프로세서(One Chip Microprocessor)

Processor Unit, Micro-Program Sequencer, Control Memory가 하나의 IC로 구성된 프로세서를 의미.

1개의 칩 안에 모든 기능을 집적한 고정된 형태를 가지므로 워드 길이, 명령 집합 등이 변경될 수 없다

중앙 처리 장치(CPU)

CPU의 구분

• 스택 구조 CPU
  • 연산 대상체나 결과를 스택에 넣어두고 운용하는 CPU
  • 수식을 Postfix 표기법으로 변환 후, 0-주소 명령어 형식을 사용하여 연산
• 단일 누산기 구조 CPU
  • 연산 대상체나 결과를 누산기(Accumulator)에 넣고 운용하는 CPU
  • 1-주소 명령어 형식을 사용
• 범용 레지스터 구조 CPU
  • 연산 대상체나 결과를 레지스터나 메모리에 넣어두고 운용하는 CPU
  • 2-주소 명령어 형식을 사용

CPU의 구성

• 연산 장치(ALU, Arithmetic and Logic Unit)
  산술 연산 및 논리 연산 등을 수행하는 장치

  • 가산기
  • 누산기
  • 자리 올림 플립플롭
  • 오버플로 체크 플립플롭
  • 보수기 등

• 제어 장치(Control Unit)
  주기억 장치에 기억되어 있는 명령어를 차례로 인출하여 해독하고, 해독한 결과에 따라 필요한 제어 신호를 각 장치에 보내는 역할을 수행

  • PC(Program Counter)
  • IR(Instruction Register)
  • 명령 해독기(Instruction Decoder)
  • MBR(Memory Buffer Register)
  • MAR(Memory Address Register)
  • 순서 제어기
  • 주소 처리기
  • 신호 방생 장치 등

• 메모리(Memory)
  입력된 자료, 상태 자료, 중간 계산 자료, 최종 결과 자료 등을 보관하는 위치

버스(Bus)

CPU에서 각 부분의 정보 교환은 어드레스 버스와 데이터 버스를 통하여 이루어진다. 정보 교환을 위해 버스를 사용하는 이유는 결선의 수를 줄일 수 있는 최선의 방법이기 때문이다.

• 버스의 형태

  • 주소 버스(Address Bus) 메모리의 특정 위치를 지정하기 위한 단방향 신호 회선으로 신호선의 수는 메모리의 최대 용량과 관계가 있다

    주소 버스선의 수가 N개 일 때, 메모리 용량은 2^N

  • 데이터 버스(Data Bus) CPU와 주기억 장치 사이에서 데이터를 주고받기 위한 양방향 회선으로 CPU가 한 번에 처리할 수 있는 Bit 수

  • 제어 버스(Control Bus) CPU나 메모리 혹은 입출력 장치에 어떤 동작을 취하게 하기 위해 제어 신호를 전달하는 단방향 신호 회선

CPU의 기능

• 연산 기능 : CPU에 있는 ALU가 수행하는 기능으로 데이터에 대해 산술 처리나 논리 처리를 수행
• 제어 기능 : CPU에 있는 제어 장치가 수행하는 기능으로 제어 신호를 발생시켜 하드웨어 요소들을 통제
• 기억 기능 : 정보를 일시적으로 저장하기 위한 레지스터와 CPU나 프로그램의 상태를 나타내는데 쓰이는 플래그들에 의해 수행되는 기능
• 전달 기능 : 각 장치가 버스로 연결되어 정보를 주고받는 기능