컴퓨터 내부 구조

😊 본 글은 한 권으로 읽는 컴퓨터 구조 책을 읽고 정리했습니다.

 

우리는 앞에서 이야기 한 내용들을 이용하여 비트를 조작하는 회로를 만들 수 있게 되었다.

이런 회로를 우리는 컴퓨터라고 한다.

 

현대의 컴퓨터는 크게 메모리, 입출력, CPU로 나누어진다.

이번 장에서는 이 세가지 부분이 서로 어떻게 연관이 되는 지 공부해보겠다.

 

메모리

컴퓨터에는 조작할 비트들을 저장할 저장소가 필요하다.

앞에서 이를 메모리에 저장한다고 배웠는데, 이제 컴퓨터가 이 메모리를 어떻게 쓰는 지 알아보자.

 

메모리는 각 위치에 주소가 부여되며, 이 주소로 메모리에 접근을 할 수 있다.

예를 들어서 64MiB의 메모리를 사용한다면 64 * 1024 * 1024인 67108864바이트만큼의 주소가 생성이 된다.

이렇게 주소로 메모리를 가리킬 때 메모리 위치(Memory Location)이라는 말로 표현을 한다.

 

하지만, 한번에 하나의 비트만 처리할 수도 있으나 최근의 컴퓨터는 64비트 컴퓨터 등을 한번에 많은 비트를 처리한다. 

그래서 이에 맞추어 메모리를 한번에 처리할 수 있는 크기로 묶어서 저장하는 방법을 사용한다.

예를 들어 한번에 64비트를 처리하는 64비트 컴퓨터는 하나의 메모리 단위가 64비트, 즉 8바이트로 이루어진다.

 

입력과 출력

컴퓨터에는 I/O처리를 위한 별도의 길이 존재한다. 메모리 접근시와 비슷하다.

 

이전에는 작은 패키지에 모든 것을 넣기가 어려웠기에 I/O 처리를 위한 버스와 메모리 접근을 위한 버스를 분리하여 운행하였다.

하지만 요즘의 컴퓨터는 메모리의 주소 수가 굉장히 많아졌고, 이로 인하여 빈 주소 또한 많아졌다.

이러한 변화에 따라서 I/O와 메모리가 같은 버스를 사용하게 되었다.

 

중앙 처리 장치(CPU)

실제 계산을 수행하는 컴퓨터 부품이다. 이 CPU는 아래 설명과 같이 다양한 부품으로 이루어진다.

 

산술 논리 장치(ALU)

산술 계산, 불리언 대수 및 기타 연산을 수행 하는 방법을 알고있는 장치이다.

다음과 같이 피연산자를 받고, 연산 코드를 통하여 어떠한 연산을 할 지 정한다. 그리고 이를 통하여 결과를 반환해주는 일을 수행한다.

굉장히 다양한 일을 수행하는 것 같아 신기해보이지만, 내부 구조는 셀렉터와 논리 게이트를 연결하여 작동한다.

 

시프트

오른쪽 시프트는 어떤 숫자의 모든 비트를 오른쪽으로 1비트씩 옮기고, 맨 오른쪽 비트를 버린다. 그리고 이런 과정을 통해 비게 되는 가장 왼쪽 비트에 0을 넣는다.

 

왼쪽 시프트는 위의 예시와 반대로 작동한다. 모든 비트를 왼쪽으로 1비트씩 옮기고, 맨 왼쪽 비트를 버린다. 그리고 가장 오른쪽 비트에 0을 넣는다.

 

실행장치

제어장치라고도 불린다. 연산을 수행하기 위하여는 ALU에 누군가 할 일을 알려줘야 하는데, 이 일을 실행장치가 수행한다.

이러한 명령은 메모리에 저장된 명령어로 수행이 이루어진다. 이 명령어는 컴퓨터에게 어떠한 일을 할 지 알려주는 비트패턴이다.

명령어가 저장된 위치는 프로그램 카운터(PC)를 통해 관리되며, PC를 통하여 메모리에 접근해서 원하는 명령어를 가져온다.

 

명령어

명령어의 사용을 위하여 초기에 고안된 두가지 비트 패턴을 먼저 살펴보겠다. 예시에서는 16비트 컴퓨터 사용을 가정한다.

3주소 명령어

3주소 명령어는 하나의 명령어에 명령코드, 두가지 피연산자, 결과라는 네가지 필드로 나누어서 사용한다.

이는 큰 문제점이 있는데, 피연산자에 할당할 수 있는 크기가 한정되어있어서 쓸모있는 크기를 가리키기 어려울 것이다.

또한 더 중요한 이유가 존재하는데, 세가지 메모리 위치를 한꺼번에 지정하는 접근을 하게된다. 명령코드, 피연산자 모두가 세팅되어야 결과를 볼 수 있기 때문이다.

 

1주소 명령어

이에 맞추어 한번에 하나의 메모리에만 접근할 수 있는 명령어를 만들었다.

명령코드 부분을 제외한 모두를 연산자 하나에 할당하고, 이를 누산기에 저장한다.

이러한 방법을 사용하여 우리는 훨씬 많은 주소비트를 사용할 수 있게 되었지만, 명령어 수 또한 늘어났다.

 

예를 들어서 두 값을 더하는 경우

1. A를 누산기에 저장

2. 누산기 값과 B를 더한 것을 누산기에 저장

3. 결과를 위하여 누산기 값을 C에 저장

 

이런 식으로 불필요한 명령어가 늘어났다.

 

주소 지정모드

위에서 직접 주소를 적었던 방식은 이전보다 훨씬 많이 사용하고 있지만, 아직 많이 부족하다.

이런 문제를 해결하기 위하여 새로운 주소 지정 모드를 사용하게 된다.

 

이전까지 직접 주소를 저장했던 모드를 직접 주소 지정 모드라고 부른다.

 

문제를 해결하기 위하여 간접 주소 지정 모드를 추가한다. 

이 방법은 위에서 PC를 통해 명령어에 접근했던 것처럼 들어있는 값이 피연산자 주소가 아닌 피연산자 주소를 얻을 수 있는 메모리 위치를 저장한다.

 

때로는 상수를 지정해야 할 때도 있다. 이를 위하여 즉시 주소 지정 모드를 사용하는데, 이 경우에서는 들어있는 값이 주소가 아닌 피연산자 자체로 해석이 된다.

 

결과적으로 이러한 모드를 지정할 수 있는 비트 2비트, 명령코드 4비트를 제외하고 10비트를 주소에 사용할 수 있게 되었다. 이 주소는 위에보다 줄어들었으나 모드를 통해서 다양하게 사용할 수 있게 되었다.

 

RISC / CISC 명령어 집합

명령어만을 포함하는 기계를 설계하는 개념으로 만들어진 컴퓨터를 RISC 라고 부른다.

이 RISC기계의 큰 특징으로는 적재 - 저장 구조가 있다. 이 구조는 메모리와 레지스터를 오가는 명령어들과 레지스터 간의 명령어만으로 이루어졌다. 현재의 RISC기계는 기술에 발전에 맞추어 다양한 새로운 명령어를 RISC기계에 추가했다. 

 

이에 비하여 기존 설계 방식으로 만든 컴퓨터를 CISC 라고 부른다.

CISC는 자동 증가 / 자동 감소 주소 지정 모드를 사용했는데, 이는 레지스터 사용 전후에 레지스터에 들어 있는 값을 감소시키거나 증가시켜주는 모드이다.