[운영체제] 프로세서(Processor) 란?

📌 프로세서란?

**프로세서(Processor)**는 컴퓨터의 두뇌 역할을 하는 핵심 부품으로,
연산을 수행하고 명령을 제어하는 역할을 함.
다른 말로 중앙처리장치(Central Processing Unit: CPU) 라고도 함.

전원이켜지면, 메모리의 첫부분(0번지) 또는끝부분(0xffffffff) 내용을 읽어 실행함. cpu의 제품마다 첫부분을 읽을지 끝부분을 읽을지 다름!!

1. 프로세서의 기본 구조

프로세서는 크게 **제어 장치(Control Unit), 연산 장치(ALU), 레지스터(Register), 버스(Bus) **로 구성됩니다.

• 제어 장치 (Control Unit): 명령어를 해석하고 실행을 제어
  - 명령어 를해석하는명령어해석기(instruction decoder) , 제어 로직으로 구성됨
  - 명령어를 읽고 실행을 위한 로직을 수행
  - cpu에는 연산자와 피연산자가 있는데 control unit에서 명령어인 연산자 부분을 읽어서 처리
  
  
• 연산 장치 (ALU, Arithmetic Logic Unit): 덧셈, 뺄셈 같은 연산을 수행
  - 데이터를 가져오는 등의 일반적인 연산의 경우 제어 장치인 control unit에서 처리하지만, 산술 연산, 논리 연산의 경우 ALU 에서 처리함
  - 산술연산: 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 쉬프트 연산 등을 수행
  - 논리연산: 논리AND, OR, XOR, NOT, 보수 연산 등을 수행
  - 연산 처리 후의 상태를 상태 레지스터에 저장함
  
  
• 레지스터 (Register): 데이터를 임시로 저장하는 초고속 메모리
  - 프로세서 내에 일시적으로 데이터를 보관하고 ALU의 산술, 논리 연산을 위한 데이터 저장 장소
  - cpu 안에는 수십 개의 레지스터가 있는데, 그것의 역할에 따라 종류는 분류함. 
  
  - 범용레지스터(general register) : 프로그램, 데이터 처리를 위한 레지스터
  - 제어레지스터(control register) : 프로그램 제어, 프로세서의 제어를 위해 사용하는 레지스터, (예: PC, SP 레지스터) - - 상태레지스터(status register) : 프로세서의 산술 연산의 결과, 동작 모드 들을 나타내는 레지스터
  - 인덱스레지스터(index register) : 데이터 어드레싱, 데이터 처리를 위해 사용되는 레지스터
  
  
• 버스(Bus): 여러 장치들의 데이터 흐름을 연결하는 데이터 경로

또한, 프로세서는 **PC(Program Counter)**와 **IR(Instruction Register)**를 사용해 실행할 명령어를 관리함.

 

*PC(Program Counter)**와 **IR(Instruction Register)** 모두 control unit 안에 속해서 메모리에 접근함.

PC(Program Counter): 다음에 실행될 명령어의 주소

IR(Instruction Register): 현재 실행 중인 명령어를 저장

2. 프로세서의 동작 과정

프로세서는 명령어를 가져오고(페치, Fetch), 해석하고(디코드, Decode), 실행하는(Execute) 과정을 반복

1) 프로세서의 6가지 기본 기능

 

1. 메모리에서 명령어를 읽기 (Instruction Fetch)

CPU가 메모리에서 명령어를 읽어와 명령어 레지스터(IR) 에 저장.

2. 메모리에 데이터를 쓰기 (Memory Write)

연산 결과나 데이터를 CPU에서 메모리의 특정 주소에 저장.

3. 메모리에서 데이터를 읽기 (Memory Read)

CPU가 연산을 수행하기 위해 메모리에서 데이터를 가져옴.

4. I/O 장치에 데이터를 쓰기 (I/O Write)

CPU가 외부 장치(예: 디스크, 프린터)에 데이터를 전송.

5. I/O 장치에서 데이터를 읽기 (I/O Read)

CPU가 외부 장치에서 데이터를 가져옴.

6. 연산 수행 (Arithmetic/Logic Operations)

ALU(산술 논리 연산 장치)를 사용하여 덧셈, 뺄셈, 논리 연산(AND, OR 등) 을 수행

 

2) 명령어 수행 단계

CPU가 하나의 명령어를 실행하는 과정

1. Fetch (명령어 가져오기)
   • PC(Program Counter) 가 가리키는 주소에서 명령어를 메모리에서 가져와 명령어 레지스터(IR) 에 저장.
   • PC는 자동으로 증가하여 다음 명령어를 가리킴.
2. Decode (명령어 해독)
   • 명령어의 연산 코드(opcode) 와 오퍼랜드(operand) 를 분석하여 수행할 동작을 결정.
3. Fetch Operands (오퍼랜드 가져오기)
   • 실행에 필요한 데이터를 메모리 또는 레지스터에서 가져와 데이터 레지스터(DR) 에 저장.
4. Execute (명령어 실행)
   • ALU(산술 논리 연산 장치) 를 사용하여 연산 수행 (예: 덧셈, 논리 연산).
   • 메모리에서 읽은 데이터를 가공하거나 I/O 장치와 데이터 전송.
5. Store Results (결과 저장)
   • 연산 결과를 다시 레지스터 또는 메모리에 저장.

3) 명령어 실행 순서(예시)

프로세서의 동작 과정

1. PC(Program Counter) 값 참조
   • CPU는 PC(프로그램 카운터)에서 실행할 명령어의 메모리 주소를 확인합니다.
   • CPU(첫 부분부터 읽는 CPU의 경우)가 켜져 0번지부터 읽기 시작하여 PC에 0번지 저장 후 IR에서 0번지의 값을 읽어서 연산 처리 -> 그 후 PC의 값은 자동으로 1이 더해져서 1번지를 읽음 -> 반복
   • 예: PC = 100 (100번지의 명령어 실행)
2. 메모리에서 명령어 가져오기 (Fetch)
   • **IR(Instruction Register)**에 명령어를 로드합니다.
   • load R0, M[500] 는 어셈블리어로 110111 과 같은 기계어를 사람이 읽기 쉽도록 번역해 놓은 것!!
   • 예: load R0, M[500] (메모리 500번지 값을 R0에 가져오기!!)
   • load R0, M[500]: load = 가져오는 연산자, R0 = 레지스터, M[500] = 메모리 500번지
   • load 연산 같은 경우는 일반 연산에 속하기 때문에 ALU가 아닌 Control Unit에서 연산을 처리함.
3. 명령어 해석 및 실행 (Decode & Execute)
   • **제어 장치(Control Unit)**가 명령어를 해석하여 ALU(연산 장치) 또는 레지스터에서 연산을 수행
   • 예: inc R1, R0 → R0의 값에 1을 더해 R1에 저장 (ALU에서 처리)
   •  inc R1, R0: inc = 1을 더하는 연산자
4. 결과 저장 (Store)
   • 연산된 데이터를 다시 메모리에 저장
   • 예: store M[501], R1 → R1 값을 메모리 501번지에 저장

** 메모리는 휘발성이기 때문에 전원이 꺼지면 데이터가 사라진다!! 이러한 메모리의 데이터는 비휘발성인 하드디스크에서 가져온다!!

3. 프로세서의 명령어

컴퓨터의 **프로세서(CPU)**는 명령어를 해석하고 실행하는 역할을 함.
CPU가 직접 실행할 수 있는 **기계어(Machine Language)**로 변환된 명령어만 수행할 수 있다.

💡 CPU의 명령어 개수는 100~200개 정도로 한정적이며, 각각의 명령어는 특정한 기능을 수행.

크게 **데이터 처리 명령어, 데이터 이동 명령어, 실행 제어 명령어, 특수 명령어** 의 4가지 종류로 분류됨.

 

1) 데이터 처리 명령어

✔ 연산(Arithmetic & Logic) 관련 명령어
✔ 산술 연산 및 논리 연산 수행
ex) 예시

• add (덧셈)
• subtract (뺄셈)
• multiply (곱셈)
• shift (비트 이동)
• compare (비교 연산)

2) 데이터 이동 명령어

✔ 데이터의 위치를 변경하는 명령어
✔ 메모리 ↔ 레지스터, 메모리 ↔ 메모리 간 데이터 이동

ex) 예시

• move → 메모리에서 메모리로 이동
• load → 메모리에서 레지스터로 이동
• store → 레지스터에서 메모리로 이동

3) 실행 제어 명령어

✔ 프로그램 흐름을 제어하는 명령어
✔ 기본적으로 **PC(프로그램 카운터)**는 1씩 증가하며 명령어를 순차 실행
✔ 하지만 실행 제어 명령어를 사용하면 특정한 메모리 주소로 점프(JUMP) 가능

ex) 예시

• branch → 특정 조건 없이 다른 주소로 이동
• conditional branch → 특정 조건을 만족할 때만 이동

4) 특수 명령어

✔ 프로세서의 모드를 변경하거나 입출력(I/O) 관련 작업 수행
✔ 특정한 하드웨어 제어에 사용됨

ex) 예시

• out → 데이터를 외부 장치로 출력
• in → 외부 장치에서 데이터를 입력