C P U(Central Processing Unit)

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C P U(Central Processing Unit)2006081008 장필구2006081025 나대로

Contents

1. CPU(Central Processing Unit) 의 개요

2. 명령어 집합

3. 레지스터 (Register)

4. 마 무 리

- 명령어 형식- 명령어 종류- 명령어 지정 방식

CPU 는 왜 필요하지 ?

폰 노이만형 컴퓨터방식을 따라 프로그램이 필요

작성된 프로그램을 해석( 컴파일러 )

2 진수의 기계어로 이루어진 목적파일 생성

2 진수의 명령어들 실행

2 진수 명령어들 고속처리→ 실행

아하 !이래서 필요하구나 !

CPU 의 구성 요소

버스 통로

Main Memory

Control Unit(PC, IR)

Registers(MAR, MBR)

BUS Interface Unit

ALU

병목현상 (Bottle Neck) 전통적인 컴퓨터 설계기법에서 , CPU 와 기억장치 사이의 통로에 정보가 집중됨으로써 야기되는 작업 지연 현상 .

CPU 의 구성 요소*PC(Program Counter)프로그램카운터로 CPU 내의 제어장치 레지스터에 속합니다 .이 PC 는 CPU 에서 다음에 실행할 명령어의 번지를 기억합니다 .

*IR(Instruction Resister)명령레지스터로 CPU 가 현재 수행하고 있는 명령어를 기억합니다 .

*Decoder해독기로 제어장치에 속해 있으며 , CPU 내로 들어오는 명령어를실제로 판독가능한 신호로 해석하는 레지스터입니다 .

*Encoder부호기로써 디코더로 부터 해독된 신호를 각 장치에 지시하기 위해각 장치로 신호를 보내주는 장치입니다 .

*MAR(Memory Address Resister)기억장치로 부터 입 / 출력되는 데이터의 주소를 기억하고 있는 레지스터입니다 .

*MBR(Memory Buffer Resiter)기억장치로 부터 입 / 출력되는 데이터 자체를 기억하고 있는 레지스터입니다

•PC(Program Counter)•IR(Instruction Registers)Control

Unit•MAR(Memory Address Registers)•MBR(Memory Buffer Registers)Registers

•Internal bus•External busBus Inter-

face Unit

•AU(Arithmetic Unit) – 가산기(adder), 레지스터(register), 보수기(complementary)

•LU(Logic Unit)

ALU

캐시

- 이번에 나온 i7 CPU 의 캐시 구성도 이다 .

- 캐시 메모리를 CPU 안에 내장 하고 있으며- 가장 빠르고 가장 빈도 높은 데이터를 가진 L1 캐시메모리가 제일 가까이 있다 .

CPU 의 내부 구조

MAR

MBR

IR

IR0

IRn

PC

ALU

Control Unit

IRZ

Rx

MemoryDevice

-------------c0 cn

Contents


2. 명령어 집합


4. 마 무 리


명령어 집합 인출 주기 (Fetch Cycle)

주기억 장치 ( 프로그램 )

명령 레지스터명령코드부 주소부

명령해독기 번지 해독기

부호기

제어 계수기➀➁

➂

➃

➄

➅➆

- 주기억장치에 있는 명령을 꺼내는 작업을 패치 (fetch cycle)

- 명령어가 CPU 내에서 실행 될 수 있도록 명령을 명령 레지스터까지 가져와 준비하는 단계CPU

명령어 집합 실행 주기 (Execution Cycle)

(데이터 )주기억장치

제어장치연산장치

➀

➁

번지해독기

명령어 레지스터명령 코드 주소부

기억레지스터가산기누산기

➂

➃➄

- 꺼내어진 명령을 해석하여 실행(execution cycle)

- 명령어가 CPU 내에서 실행 될 수 있도록 명령을 명령 레지스터까지 가져와 준비하는 단계

CPU

전부 CPU 안에서 일어나는 일들이다 .

Operation code• 어떤 연산을 할 것인가 ? • 연산에 필요한 자료가 어떤 레지스터 , 기억장치 중 어느 곳에서 오는가 ?• Data 의 종류가 문자 , 고정소수점 , 부동소수점인가 ?

Operand• 주기억장치에서 자료나 명령어의 주소를 기억하는 부분• 몇 번지부터 기억된 자료를 연산할 것인가 ?

명령부 (Operation code)

번지부 (Operand)

명령어 형식

[EX]

ADD A, B

MOV X, R1명령부 주소부

레지스터(Register)

명령어 형식

동작 코드 기능ADD 덧셈 (Add)

SUB 뺄셈 (Subtract)

MUL 곱셈 (Multiply)

DIV 나눗셈 (Divide)

LD 기억장치로부터 레지스터로 데이터 적재 (load)

STO 기억장치에 데이터 저장 (Store)

명령어의 동작 코드

명령어 형식 0 주소 명령어 (0 Address Instruction)

-1 개의 명령부를 갖는 명령형식- 모든 연산은 stack 에 있는 자료를 이용하여 수행하고그 결과 또한 stack 에 보존

OP code(Operation Code)[EX]

PUSH A SP(TOP) ← APUSH B SP(TOP) ← BADD SP(TOP) ← (A+B)POP X M[X] ← SP(TOP)


OP code

-1 개의 명령부와 1 개의 번지부를 갖는 명령형식- 연산 결과가 항상 누산기 (accumulator) 에 기억- 연산 결과의 주소를 지정해 줄 필요가 없다- 연산 결과를 효율적으로 사용하기 위해서는 명령의 load 와 store 가 반드시 필요하다 (temporary register)

주소 1[EX] X = (6 + 7) * 5

LOAD 6 ACADD 7 ACSTORE X ACMUL 5 ACSTORE T AC


OP code

-1 개의 명령부와 2 개의 번지부를 갖는 명령형식- 주소 1 에 위치한 자료와 주소 2 에 위치한 자료를 명령어 내용대로 처리하여 주소 1 에 저장- 장점 : 1 개의 연산자에 입력자료 보관 주소와 연산결과 주소가 포함된 명령어 형식으로 수행시간이 짧다

주소 1 주소 2[EX] X = (6 + 7) * 5

MOV R1, 6 ADD R1, 7MUL R1, 5MOV X, R1


OP code

-1 개의 명령부와 3 개의 번지부를 갖는 명령형식- 명령코드가 단항 (unary) 연산인 경우에는 주소 2 를 생략함- 장점 : 연산 후 입력자료가 변하지 않고 보존되고 레지스터 주소를 사용하면 프로그램 길이가 짧아짐-2 진 코드로 명령을 나타날때 너무 많은 비트가 필요함- 하나의 명령어가 수행하려면 최소한 4 번 access 하여야 하므로 수행시간

주소 1 주소 2 주소 3

[EX] X = (6 + 7) * 5

ADD R1, 6, 7MUL X, R1, 5

명령어 주소 지정 방식 정의

- 주소 지정 방식 (addressing mode) 란 주기억장치의 유효 주소 (effective address), 즉 자료를 찾을 수 있는 주소를 계산 하는 방법을 말한다 .

절대 주소 (absolute Address)

- 주소부분의 값이 고유의 번지로 지정된 형식 - 기억공간의 효율 저하 상대 주소 (relative Address)

- 직접 자료에 접근 할 수 없음- 모든 주소는 어느 기본주소 (base address) 에 상대적으로 표시되어 유효 주소를 구하는 방법

- 명령어 주소 비트를 절약 할 수 있어 절대 주소보다 기억공간의 효율 좋은반면 사용시 절대주소로 번역해야 하는 단점이 있다 .

명령어 주소 지정 방식 즉시 주소 지정 방식 (Immediate Addressing Mode)

동작 코드 실제 데이터- 오퍼랜드 (Operand) 는 실질적 명령어 내에 포함 즉 , “Operand = A”- 상수로 취급- 장점 : 기억장치에 접근 할 필요 없어 기억 사이클 하나를 줄 일 수 있다 .- 사용되는 경우 : 일정한 값으로 레지스터를 초기화 할때 유용

OP code

명령어 주소 지정 방식 직접 주소 지정 방식 (Direct Addressing Mode)

OP code Address(100 번지 )

실제데이터(500)

operandMemory

1st

- 기억장치 상의 주소와 프로그램 상의 주소가 일치- 주소를 표현하는데 많은 비트를 필요로 하므로 합리적이지 못하다 .

100 번지

명령어 주소 지정 방식 간접 주소 지정 방식 (Indirect Addressing Mode)

OP code Address(100 번지 )I

주소번지 500


operand

I = 0 : 직접주소 방식I = 1 : 간접주소 방식 1st

2nd

Memory

- 직접 주소 방식의 주소 지정 공간이 제한되는 문제를 보완하기 위해 등장- 참조 방식을 취함- 단점 : 두 번 기억 장치를 참조 해야 하는 단점이 있다 .

500 번지100 번지

명령어 주소 지정 방식 레지스터 주소 지정 방식 (Register Addressing Mode)

OP code Address R 실제 데이터Register

- 직접 주소 지정 방식과 유사 즉 , 해당 레지스터 안에 실제 데이터가 기억 되어있다 .- 장점 : 매우 빠른 속도를 가지고 있기에 실행 시간을 단축 시킬 수 있다 .

명령어 주소 지정 방식 레지스터 간접 주소 지정 방식 (Register Indirect Addressing Mode)

OP code RR(100)

주소 번지 700


500 번지100 번지 Register 700

Memory

- 간접 주소 지정 방식과 유사 즉 , 피연산자를 통해 실제 데이터가 들어있는 레지스터를 찾아간다 .

명령어 주소 지정 방식 상대 주소 지정 방식 (Relative Addressing Mode)

OP code d

실제데이터+

nn

nn = 500

Program counter

유효주소nn + d(515)

Memory

- 피연산자의 주소는 PC 에 따라서 지정- PC 를 베이스 레지스터로 간주하며 현재 명령어의 주소가 주소 필드의 값과 합해져서 유효 주소 (Effective Address) 를 얻는다 .- 주소 필드의 값은 2 의 보수로 다루어진다 .

명령어 주소 지정 방식 베이스 레지스터 주소 지정 방식 (Base Register Addressing Mode)

OP codeBase register 변위

+ 실제데이터 (500)

Memory

시작 주소 mm(300) 변위값 nn(15)

mm + nn(315 번지 )

- 베이스 레지스터 ( 시작점 ) 라는 레지스터를 이용하여 그 내용을 기준 주소로 사용 하는 방식 - 인덱스 주소 방식과 유사하다 .- 명령어 주소 부분은 베이스 주소로 부터 상대적인 변위가 된다 .

명령어 주소 지정 방식 인덱스 레지스터 주소 지정 방식 (Indexed Register Addressing Mode)

OP code d

실제데이터 (500)+nn

Index register nn=300

유효주소nn + d

(350 번지 )

MemoryIx

operand

변위값 d=50

- 베이스 레지스터 주소 지정 방식의 반대- 인덱싱은 인덱스 레지스터가 있어서 해당 내용과 메모리 주소 레지스터 (MAR) 의 값을 필요할 때마다 더하여 피연산자를 참조한다 .- 오퍼랜드 부분이 지정하는 인덱스 레지스터의 번호와 상수값 , 즉 변위로 나뉘어 있다 .

명령어 주소 지정 방식 데이터 주소의 표현 방식

◇ 완전 주소- 정보가 데이터 또는 주소이거나 구별하지 않고 그 기억된 장소에 직접 매핑 시킬 수 있는 완전한 주소- 단점 : 가장 많은 비트 수를 필요 2n 워드일 때 n 개의 비트 필요◇ 약식 주소- 주소의 일부분 생략- 계산에 의한 주소는 대부분 약식 주소에 속함◇ 생략 주소- 주소를 구체적으로 나타내지 않아도 원하는 정보가 기억된 곳을 알 수 있을 때 사용- 스택 , 큐가 있다 . - 장점 : 명령어의 길이 축소◇ 데이터 자신

- 주소를 위해 별도의 비트가 필요 없음 - 스스로 표현 위해 상당한 수의 비트 필요

명령어 주소 지정 방식 스택 (Stack) 주소 지정 방식

- 스택 포인터는 푸시나 팝이 일어 날 때마다 자동으로 증가 또는 감소- 위의 이유로 프로세서는 주소를 명시 할 필요 없이 스택 사용 가능

100

100223010

주소1000

1001100210031004

Stack pointer

a) MUL(*) 연산

100

10022

300

주소1000

1001100210031004

Stack pointer

b) ADD(+) 연산

100

100322

주소1000

1001100210031004

Stack pointer

[EX]

2 * 3 + 4 / 2 중위표기 방법을 후위표기방식으로 변경2 3 * 4 2 / +

2 23

6 64

642

62

82 3 * 4 2 / +

Contents


2. 명령어 집합


4. 마 무 리


레지스터 (Register)

범용레지스터(GPR)

레지스터

전용레지스터(SPR)

CPU 에 필요한 작은 Data 의 임시저장 공간연산 처리 및 번지지정을 도와줌CPU 내부에는 각 용도에 맞는 다양한 레지스터가 존재

범용 레지스터 (General Purpose Register)

범용레지스터(GPR)

Scratch Pad RegisterWorking Register

CPU 내에서 생성하는 data 를 보관

여러가지 연산을 할 수 있음

Accumulator 의 역할

특정 주소 지정 방식에서주소를 지정

전용 레지스터 (Special Purpose Register)

4) 상태 레지스터

2) 메모리 지정 레지스터

1) 명령어 레지스터

3) 스택 레지스터

GPR 은 성능 향상을 고려하는데 비해 대부분 SPR 은 반드시 필요로 하는 용도로 사용 .

명령어 레지스터 (IR : Instruction Register)

OP-code 피연산자(X)

피연산자(Y)

동작코드에는 덧셈 , 뺄셈 , 분기 등의 동작코드를 가지고 있다 .피연산자 (X) 는 주소지정모드로 동작하며 ,피연산자 (Y) 는 해당모드에 필요한 주소값을 가지고 있다 .

Instruction Register 는 명령어을 수행하기 위해 잠시 정보를 보관하고 있는 레지스터

메모리 지정 레지스터

MAR - CPU 가 기억장치의 주소를 참조하는 데 반드시 필요한 레지스터MBR - 실질적으로 CPU 가 주기억장치주소를 참조하는 레지스터Index Register - 데이터를 비교하거나 전송하는 명령에서 사용됨SI(Source Index): Data 의 시작지DI(Destination Index): Data 의 목적지Segment Register - 프로그램의 크기가 주기억장치보다 클 때 프로그램을 한 묶음으로 쪼갠 영역

메모리 지정 레지스터에는 메모리 주소 레지스터 , 인덱스 레지스터 , 세그먼트 레지스터 , 메모리 버퍼 레지스터 , 프로그램 카운터 등이 있다 .

스택 레지스터 (Stack Register)

Stack Register 는 스택 및 데이터 메모리를 관리

이전에 하던 작업의 내용과 그 상태를 보존을 위한 유지영역의 기능을 가진다 .

(Stack Pointer)가장 최근에 Stack 에 들어온 데이터를 가리킴 (Top)(Base Pointer, Frame Pointer)현재 사용 중인 Stack 의 바닥을 가리킴 (Bottom)

상태 레지스터 (Status Register)

Status Register 는 CPU 의 다음 동작의 기준을 정하기 위해 연산의 상태를 저장하고 있다 .

Status Register 에는 Carry Flag , Zero Flag , Sign Flag ,Overflow Flag 등이 있다 .

(Carry Flag) - 8 + 7 = 15 여기서 ‘ 1’ 이 세트(Zero Flag) - 8 – 8 = 0 여기서 값이 ‘ 0’ 이면 ‘ 1’ 이세트 (Sign Flag) - 5 – 8 = -3 이처럼 부호값 (Sign) 있을때 ‘ 1’ 이 세트(Overflow Flag) - 2 – 5 = -3 결과 값이 범위를 벗어날때 ‘ 1’ 이 세트

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