CPU

• 중앙 처리 장치 (Central Processing Unit)

  • 주기억장치(메모리)에서 명령어를 읽고 해석하여 처리

  • 연산 장치, 제어 장치, 레지스터로 구성

    

    CPU의 구조

• 연산 장치 (Arithmetic & Logic Unit, ALU)

  • 산술(덧셈, 뺄셈 등) 및 논리(AND, OR, NOT 등) 연산을 처리
  • 레지스터로부터 받은 피연산자(Operand)와 제어장치로부터 받은 명령에 따라 처리
    • 처리 결과는 다시 레지스터에 저장
  • 가산기, 누산기 등으로 구성

• 제어 장치

  • 장치들의 작동을 제어
  • 기억장치로부터 명령을 읽어와 해석
  • PC, IR, 명령 해독기, 부호기, MAR, MBR 등으로 구성

• 레지스터

  • 처리중인 명령어나 데이터들을 일시적으로 저장
  • 레지스터 종류
    • PC (Program Counter)
      • 다음번 실행할 명령어의 주소를 저장
      • CPU가 명령어를 처리하면 PC는 자동으로 다음 명령어의 위치를 가리킨다.
    • IR (Instruction Register)
      • 현재 실행할 명령어를 저장
    • MAR (Memory Address Register)
      • 메모리의 주소를 임시로 저장
    • MBR (Memory Buffer Register)
      • 메모리의 내용을 임시로 저장
    • 범용 레지스터
      • 다양한 목적에 맞게 사용하는 레지스터
    • 데이터 레지스터
      • 연산에 사용할 데이터를 기억하는 레지스터
    • 누산기 (AC)
      • 연산 결과를 일시적으로 저장하는 레지스터
    • 플래그 레지스터
      • CPU가 최근 수행한 연산 정보, 상태 등을 저장

CPU의 연산

• CPU의 실행 사이클

  • Fetch → Decode → Execute → Writeback

    

    실행 사이클

  • Fetch (호출) : PC(Program Counter)가 가리키는 명령어를 IR로 전달

    • PC에 저장된 메모리 주소(다음 실행할 명령어의 주소)를 MAR로 전달
    • MAR을 토대로 메모리에서 해당 주소의 명령어를 찾아 MBR에 저장
    • MBR에 저장된 명령어를 IR로 전달

    

    Fetch 사이클 및 레지스터 동작 과정

  • Decode (해석) : 명령어를 해석

  • Execute (실행) : 해석된 명령어에 따라 연산을 수행

  • Writeback (쓰기) : 명령어대로 처리된 결과를 메모리에 기록

CPU의 전체 사이클

32비트 CPU의 한계

• 비트 수는 CPU 레지스터의 크기를 의미
  • CPU는 레지스터에 저장된 명령을 처리
  • 레지스터가 32비트라는 것은 CPU가 한 사이클에서 최대로 처리할 수 있는 크기도 32비트
• 32비트 CPU에서 메모리의 최대 크기는 4GB
  • CPU에서 메모리 주소는 레지스터(PC, MAR)에 저장
  • 32비트에서 표현 가능한 범위는 0 ~ 2^32 (약 40억) 까지다.
    • 2^32 개의 메모리 주소를 표현 가능
  • 메모리 주소 당 메모리의 크기는 1Byte로 최대 메모리 크기는 2^32 * 1Byte = 4GB

32비트 vs 64비트 메모리 주소 공간의 차이

• Y38K 문제
  • 32비트 시스템상에서 발생할 수 있는 시간 관련 버그
  • Unix 시간을 사용하는 시스템에서 발생
    • Unix 시간 기준일 : 1970년 1월 1일 (이유는 따로 없다고 함)
  • 32비트의 경우 2038년 1월 19일 03시 14분 07초까지 표현 가능
    • 초과 시, 음수가 되어 1901년 12월 13일이 될 가능성이 존재

Unix Epoch Clock

Unix Epoch Clock

메모리 관리

• 메모리란 CPU가 프로그램을 처리하기 위해 일시적으로 정보를 저장하고 접근하는 장치
  • 현재 실행중인 프로그램(프로세스)을 보조기억장치(하드디스크)에서 읽어와 메모리에 로드