[CS] CPU 작동 원리

CPU는 컴퓨터의 두뇌로, 명령어를 해석하고 연산을 수행하는 핵심 장치다.

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1. CPU 구성 요소

CPU는 크게 네 가지 핵심 요소로 구성되며, 이들은 내부 버스를 통해 서로 연결된다.

• 제어장치 (Control Unit)
• 연산장치 (ALU)
• 레지스터 (Registers)
• 내부 버스 (Internal Bus)

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2. 주요 장치 상세 설명

연산 장치 (ALU: Arithmetic Logic Unit)

• 기능: 산술 연산(+, - 등) 및 논리 연산(AND, OR 등) 수행.
• 동작: 레지스터로부터 데이터를 가져와 연산한 후, 그 결과를 다시 레지스터로 전송.

제어 장치 (Control Unit)

• 목적: 명령어를 순서대로 실행하도록 제어.
• 설명: 주기억장치에서 명령어를 꺼내 해독하고, 각 장치에 필요한 제어 신호를 보냄.

내부 버스 (Internal Bus)

• 데이터 버스: ALU와 레지스터 간의 데이터 전달.
• 제어 버스: 제어장치의 신호를 각 구성 요소로 발송.

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3. 레지스터 (Register)

주기억장치로부터 온 명령어와 데이터를 임시 저장하며, 용도에 따라 다양하게 분류된다.

분류	명칭	설명
주소 저장	MAR (메모리 주소 레지스터)	읽기/쓰기 연산을 수행할 주기억장치의 주소를 저장
	PC (프로그램 카운터)	다음에 실행될 명령어의 주소를 저장
	SP (스택 포인터)	스택의 최상위 주소를 저장
데이터 저장	IR (명령어 레지스터)	현재 실행 중인 명령어를 임시 저장 및 해독
	MBR (메모리 버퍼 레지스터)	주기억장치에서 읽어오거나 저장할 내용을 임시 저장
	AC (누산기)	ALU의 연산 결과를 임시 저장

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4. CPU 동작 과정 및 데이터 계층

명령어 사이클 (Instruction Cycle)

주기억장치에서 명령어를 순차적으로 받아와 CPU에서 실행하는 일련의 과정을 의미한다.

Fetch(인출) → Decode(해독) → Execute(실행) → (반복)
    ↑                                            |
    └────────────────────────────────────────────┘

데이터 계층 구조

계층	명칭	특징
최상위	캐시 메모리 (L1, L2, L3)	CPU 내부 위치, 속도 가장 빠름, 용량 매우 작음
중간	주기억장치 (RAM)	CPU 외부 위치, 휘발성(전원 차단 시 데이터 소멸)
하위	보조기억장치 (SSD, HDD)	용량 매우 큼, 비휘발성(데이터 영구 보존)

💡 계층이 높을수록 속도는 빠르지만 용량은 작고 가격은 비싸다. CPU는 데이터를 가장 가까운 캐시부터 순서대로 탐색한다.