[컴퓨터 구조] ALU와 제어장치

이 글은 혼자 공부하는 컴퓨터 구조 + 운영체제 (저자 : 강민철)의 책과 유튜브 영상을 참고하여 개인적으로 정리하는 글임을 알립니다.

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ALU

CPU 내부에는 ALU와 제어장치 그리고 여러 개의 레지스터가 있다.

ALU는 계산을 담당하고, 제어장치는 명령어를 읽어 들이고 해석한다. 레지스터는 CPU 안에 있는 작은 임시 저장장치이다.

ALU는 앞서 계산기와 같은 역할을 한다고 했다. 따라서 레지스터를 통해 피연산자를 받아들이고, 제어장치로부터 수행할 연산을 알려주는 제어 신호를 받아들인다.

ALU는 레지스터와 제어장치로부터 받아들인 피연산자와 제어 신호로 산술 연산, 논리 연산 등 다양한 연산을 수행한다.

연산을 수행한 결과는 특정 숫자나 문자가 될 수 있고, 메모리 주소가 될 수 있다. 이러한 결괏값은 바로 메모리에 저장되지 않고, 일시적으로 레지스터에 저장된다.

 

ALU가 받아들이는 정보는 아래와 같다.

• 레지스터를 통해 피연산자를 받아들이고, 제어 장치로 부터 수행할 연산을 알려주는 제어신호를 받아들인다.
• 피연산자와 제어 신호로 산술, 논리 연산등 다양한 연산을 수행한다.

 

ALU는 계산 결과와 더불어 플래그를 내보낸다.

이전에 이진수가 양수인지 음수인지 판별할 때 플래그가 이용된다고 언급한 적 있다.

이러한 연산 결과에 대한 추가적인 상태 정보를 플래그(flag)라고 한다.

ALU가 내보내는 대표적인 플래그는 아래와 같다.

이러한 플래그는 CPU가 프로그램을 실행하는 도중 반드시 기억해야 하는 일종의 참고 정보이다.

플래그들은 플래그 레지스터라는 레지스터에 저장된다.

 

ALU가 내보내는 정보는 아래와 같다.

• 연산 수행 결괏값과 플래그를 내보낸다.
• 플래그(연산 결과에 대한 추가적인 참고 정보)
• 연산 수행 결과

 

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제어장치

• 제어장치 : 제어 신호를 내보내고, 명령어를 해석하는 부품
• 제어신호 : 컴퓨터 부품들을 관리하고 작동시키기 위한 일종의 전기 신호

 

제어장치가 받아들이는 정보와 내보내는 정보를 그림으로 나타내면 아래와 같다.

 

제어장치가 받아들이는 정보

1. 제어장치는 클럭 신호를 받아들인다.
2. 제어장치는 해석해야 할 명령어를 받아들인다.
3. 제어 장치는 플래그 레지스터 속 플래그 값을 받아들인다.
4. 제어장치는 시스템 버스, 그중에서 제어 버스로 전달된 제어 신호를 받아들인다.

1. 클럭 신호를 받아들인다.

클럭이란 컴퓨터의 모든 부품을 일사불란하게 움직일 수 있게 하는 시간 단위이다.

클럭의 주기에 맞춰, 모든 부품이 작동하게 된다. 하지만 모든 부품이 같은 클럭에 작동하는 것은 아니다.

 

2. 해석해야할 명령어를 받아들인다.

CPU가 해석해야 할 명령어는 명령어 레지스터라는 특별한 레지스터에 저장된다.

제어장치는 명령어 레지스터로부터 해석할 명령어를 받아들이고 해석한 뒤, 제어 신호를 발생시켜 컴퓨터 부품들에 수행해야 할 내용을 알려준다.

 

3. 플래그 레지스터 속 플래그 값을 받아들인다.

플래그는 ALU 연산에 대한 추가적인 상태 정보이다. 그렇기에 제어장치는 플래그 값을 받아들이고 이를 참고하여 제어 신호를 발생시킨다.

 

4. 시스템 버스, 그중에서 제어 버스로 전달된 제어 신호를 받아들인다.

제어 신호는 CPU 뿐만 아니라 입출력장치를 비롯한 CPU 외부 장치도 발생시킬 수 있다.

제어장치는 제어 버스를 통해 외부로부터 전달된 제어 신호를 받아들이기도 한다.

 

제어장치가 내보내는 정보

• CPU 외부에 전달하는 제어 신호
• CPU 내부에 전달하는 제어 신호

 

CPU 외부에 전달하는 제어 신호

• 메모리 : 메모리를 읽기, 쓰기
• 입출력장치(보조기억장치 포함) : 입출력장치 읽기 / 쓰기

제어장치가 CPU 외부에 제어 신호를 전달
제어장치가 CPU 외부에 제어 신호를 전달한다는 말은 제어 버스로 제어 신호를 내보낸다는 말과 같다.

 

CPU 내부에 전달하는 제어 신호

• ALU : 수행할 연산을 지시
• 레지스터 : 레지스터 간 데이터 이동, 레지스터에 저장된 명령어 해석