02. CPU와 메모리

1. CPU의 구성과 동작

1-1. CPU의 기본 구성

• 산술논리 연산 장치 : 데이터 연산 (산술 연산 + 논리 연산)
• 제어장치 : 작업을 지시하는 역할
• 레지스터 : 데이터를 임시로 보관하는 곳

 

 

1-2. CPU의 명령어 처리 과정

• 연산에 필요한 데이터는 레지스터에 저장
• 제어장치는 명령어를 해석하여 제어 신호를 송신

 

 

1-3. 레지스터의 종류

사용자 가시 레지스터 (사용자에 의해 변경 가능)

• 데이터 레지스터(DR) : 메모리에서 가져온 데이터를 임시로 보관
• 주소 레지스터(AR) : 데이터 또는 명령어가 저장된 메모리의 주소

 

사용자 불가시 레지스터 (특수 레지스터)

• 프로그램 카운터(PC) : 다음에 실행할 명령어의 주소 저장 → 제어장치로 송신
• 명령어 레지스터(IR) : 현재 실행 중인 명령어 저장 (제어장치가 해석한 후 외부로 송신)
• 메모리 주소 레지스터(MAR) : 데이터 송수신할 메모리 주소 저장
• 메모리 버퍼 레지스터(MBR) : 송수신할 데이터 임시 저장. MAR과 항상 함께 동작
• 프로그램 상태 레지스터(PSR) : 연산 결과의 부호, 자리 올림의 유무 등을 저장

 

 

1-4. 버스의 종류

• 제어 버스
  • 다음에 할 작업을 제어하는 신호의 통로

 

• 주소 버스
  • 데이터를 송수신할 위치의 주소 정보의 통로
  • 주소 레지스터와 연결, 단방향 통신 (CPU → 주소 버스)

 

• 데이터 버스
  • 실제 데이터가 이동하는 통로
  • 버퍼 레지스터와 연결, 양방향 통신

 

• 버스의 대역폭
  • 한 번에 전달할 수 있는 데이터의 최대 크기
  • 버스의 대역폭 = 레지스터의 크기 = 메모리에 한 번에 저장할 수 있는 데이터의 크기

 

 

 

2. 메모리의 종류와 부팅

 

2-1. 메모리의 종류

• DRAM
  • 0과 1의 데이터가 일정 시간이 지나면 사라짐
  • 메인 메모리

 

• SRAM
  • 전력이 공급되는 동안에는 데이터 보관 가능
  • 속도 빠름, 가격 비쌈
  • 캐시 등의 고속 메모리

 

• SDRAM
  • DRAM이 발전된 형태
  • 클록틱이 발생할 때마다 데이터 저장

 

 

2-2. 메모리 보호

• CPU는 현재 진행 중인 작업의 메모리 시작 주소를 경계 레지스터에 저장
• 현재 진행 중인 작업이 차지하고 있는 메모리의 크기를 한계 레지스터에 저장
• 둘의 범위를 벗어난 메모리 참조 → 메모리 오류 인터럽트 발생

 

 

2-3. 부팅

운영체제를 메모리에 올리는 과정

 

1. 롬에 저장된 바이오스 실행 & 하드웨어 상태 확인
2. 이상이 있을 경우 삐~ 소리와 함께 오류 메시지 출력
3. 하드디스크의 마스터 부트 레코드에 저장된 작은 프로그램을 메모리로 가져와 실행
4. 부트스트랩 코드가 메모리에 적재
5. 하드디스크에 저장된 운영체제를 메모리에 적재

 

마스터 부트 레코드

하드웨어의 첫 번째 섹터로 운영체제를 실행하기 위한 코드인 부트스트랩이 저장되어 있음