중앙처리장치 (CPU)

CPU란?

Central Processing Unit (이하 CPU)는 컴퓨터의 모든 연산을 실행하거나 처리하는 핵심적인 제어장치이며 중앙처리장치라고도 말한다. 컴퓨터에 필수적인 4대 주요기능(기억, 해석, 연산, 제어)을 관리하는 가장 중요한 장치이다. 1 처리기, 프로세서 등 여러 이름이 있으며 컴퓨터에 따라 한개 또는 그 이상의 장치가 들어간다. 일반적으로는 프로세서 칩 한개를 의미 하지만, 엔지니어 입장에서는 몇개가 존재하든 처리를 하는 역할은 변하지 않기에 프로세서라고 그냥 말 할 수 도 있다.

CPU의 코어는 실질적으로 연산을 수행하는 장치이다. 코어 내에는 연산하는 과정에서 임시로 적제할 여러 레지스터를 갖고 있다. 제조사별로 캐시메모리 구조가 다르지만, 왼쪽의 경우는 L2 캐시는 프로세서 내에서 공유가 가능하다.

때문에 Level 1 캐시(이하 L1)에는 접근이 매우 빠르지만 반대로 L2는 경합으로 인해 접근에 대한 클럭 동기화로 시스템 시간을 맞추어 순차적인 접근이 필요하기 때문에 L1에 비해 느리다. 코어별로 L2를 내장하고 있는 CPU도 있고, L2 부터 공유하는 CPU도 있다.

인텔의 메모리 성능 요약에 따르면 간단한 차이는 아래와 같다.

Core의 구조

CPU Core 안에서는 크게 제어장치와 처리장치 두가지로 나뉜다.

Control Unit (제어장치)

제어장치는 CPU와 다른 주변 장치와의 데이터 흐름을 제어하며, 각 장치로 제어신호를 보내어 명령어를 실행하도록 한다. CPU의 명령어 사이클을 제어하며, 명령어를 해독하고 실행하는 역할을 한다.

제어 장치에 속하는 대표적인 구성요소

1. 명령어 디코더 (Instruction Decoder)
   • 명령어를 해독하고, 필요한 작업을 결정한다.
2. 제어 신호 생성기 (Control Signal Generator)
   • 명령어를 해독한 결과에 따라 제어 신호를 생성한다.
3. 인터럽트 컨트롤러 (Interrupt Controller)
   • 인터럽트가 발생하면, 해당 인터럽트를 처리한다.
4. 클럭 발생기 (Clock Generator)
   • CPU의 클럭을 생성한다.
5. 타이밍 신호 발생기 (Timing Signal Generator)
   • 클럭 발생기로 부터 주기신호를 받아 작업 흐름을 나눈다.
6. 명령어 사이클 제어기 (Instruction Cycle Controller)
   • 타이밍 신호를 받아 명령어 실행 순서를 관리한다.

Data Processing Unit (처리장치)

처리장치는 제어장치가 명령어를 해독하고, 실행할 작업을 결정하면, 실제로 데이터를 처리하는 장치이다.

제어 장치에 속하는 대표적인 구성요소

1. 산술 논리 연산 장치 (Arithmetic And Logical Unit)
   • 산술(사칙: +, −, ✕, ÷)연산과 논리(AND, OR, NOT 등)연산을 처리한다.
2. 부동소수점 연산 장치 (Floating Point Unit)
   • 실수 데이터 연산을 처리한다.
3. 레지스터 (Register)
   • 데이터를 저장하고, 연산에 필요한 데이터를 임시로 저장한다.
4. 캐시 메모리 (Cache Memory)
   • 데이터를 빠르게 접근하기 위한 임시 저장소이다.
5. 파이프 라인 (Pipeline)
   • 명령어를 여러 단계로 나누어 병렬로 처리한다.