컴퓨팅 4대 리소스 - CPU 구조와 작동 원리

Posted May 4, 2024

By bramilch 13 min read

2024/05/04: 초안 작성 2024/05/05: CPU 성능 영향 요소 내용 보완 2024/05/08: CPU 구조 테이블 수정, Clock 내용, CPU Processing Cycle and Flow 추가

※ 내용에 오류가 있을 수 있습니다.
※ 내용을 계속 추가, 수정, 보완하고 있습니다.

CPU 구조

구성요소	요약	설명
ALU (Arithmetic Logic Unit, 산술 논리 유닛)	데이터에 대한 산술 및 논리 연산 수행	덧셈, 뺄셈, AND, OR, 비교 등의 연산
레지스터	CPU 내에 위치한 데이터 임시 저장하는 소형 고속 메모리 장치	Program Counter (PC), Instruction Register (IR), Accumulator, General Purpose Registers (GPRs)
Control Unit (CU)	CPU의 작동을 조정하고 메모리에서 명령을 가져와 디코딩 및 실행	메모리에서 명령어를 가져와 디코딩하고, 신호를 전송하여 ALU 및 레지스터를 제어
Memory Management Unit (MMU, 메모리 관리 유닛)	논리 메모리 주소를 물리적 주소로 변환하여 메모리 액세스를 관리	논리 메모리 주소를 물리적 주소로 변환하고 메모리 보호 및 액세스 제어를 수행
캐시 메모리	CPU와 가까운 곳에 위치한 고속 메모리로 자주 액세스하는 데이터와 명령어를 저장	L1 cache, L2 cache, L3 cache로 구성되고 CPU 아키텍처마다 다르지만 인텔의 경우 L1, L2는 코어마다 구성하고 L3는 CPU 외부에 위치시키거나 코어들이 공유함
Instruction Decoder 명령 디코더	디코더 메모리에서 가져온 명령어를 디코딩하고 실행하기 위한 제어 신호	명령어를 디코딩하여 수행할 작업을 결정

Fetch-Decode-Execute Cycle: CPU는 메모리에서 명령어를 가져와서 디코딩하고 실행하는 반복적인 주기로 명령어를 실행
ISA (Instruction Set Architecture): CPU가 실행할 수 있는 명령 세트와 해당 명령의 형식을 정의
클럭 속도: CPU가 명령을 실행하는 속도(헤르츠(Hz))로 측정됨. 클럭 속도가 높을수록 일반적으로 처리 속도가 빨라지나 전력 소비와 발열이 많아짐.
파이프라인: CPU는 여러 명령의 실행을 겹쳐서 성능을 향상시키기 위해 파이프라인을 사용할 수 있음.
병렬성: 최신 CPU에는 여러 개의 코어가 있어 병렬 처리를 통해 여러 명령을 동시에 실행할 수 있음.

CPU는 Fetch-Decode-Execute-(Writeback) Cycle을 반복함.
Fetch: Control Unit은 실행할 다음 명령어의 메모리 주소를 Program Counter (PC)에서 가져옴.
Decode: Instruction Decoder가 가져온 명령을 디코딩하여 명령 옵코드 Instruction opcode (Operation Code)에 따라 수행할 동작을 결정함.
Execute: Control Unit는 명령어 실행을 조정하며, 여기에는 ALU를 사용한 산술 또는 논리 연산 수행, 메모리 액세스 또는 레지스터 간 데이터 전송이 포함될 수 있음.
Writeback (선택 사항): 경우에 따라 실행 결과를 레지스터나 메모리 위치에 다시 기록해야 할 수도 있음. 현재 명령어가 실행되면 프로그램 카운터 Program Counter에 다음 명령어를 가리키도록 기록되고, 다음 명령어에 대해 이 사이클이 순서대로 반복됨.

영향 요인	설명	성능에 미치는 영향
클럭 속도	CPU가 명령을 실행하는 속도	클럭 속도가 높을수록 일반적으로 처리 속도가 빨라짐.
캐시 크기	자주 액세스하는 데이터를 저장하는 데 사용할 수 있는 고속 메모리의 양	캐시 크기가 클수록 일반적으로 성능이 향상
명령 실행 효율성	처리지시 효율성 Efficiency of processing instructions	보다 효율적인 실행으로 전반적인 성능 향상
병렬성	여러 명령을 동시에 실행하는 CPU의 능력	병렬성은 성능을 획기적으로 향상 가능
메모리 대역폭	CPU와 메모리 간에 데이터가 전송될 수 있는 속도	더 높은 메모리 대역폭으로 전체 시스템 성능 향상
전력 소비 및 열 방출	실행되는 동안 소비전력량 및 발열량	높은 전력 소비와 열로 인해 CPU 성능이 제한될 수 있음.

클럭 신호는 System clock generator 또는 Simply the clock generator가 만듦.
일정한 속도로 전기 펄스 electrical pulses를 생성하고, 클럭 속도 clock speed 또는 클럭 주파수 clock frequency라고 함.
클럭 신호는 CPU 내의 다양한 구성 요소의 작동을 서로 맞추고(동기화)하고 처리 사이클 속도를 말해주게 됨.

클럭 속도 Clock Speed