중앙처리장치

요약 컴퓨터 시스템의 명령어 해석을 비롯하여, 산술 논리연산, 제어 등의 기능을 수행하는 핵심 장치.

중앙처리장치 회로

기억장치, 입출력장치와 함께 컴퓨터 시스템을 구성하는 핵심 장치이다. 전체 컴퓨터 시스템을 제어한다는 점에서 사람의 대뇌에 비유된다. 키보드·마우스 등으로부터 입력받은 데이터와 신호를 처리하고, 결과 값을 모니터·프린터 등과 같은 출력장치로 내보내는 역할을 수행한다. 기억·해석·연산·제어 등 컴퓨터 동작의 핵심 기능을 담당하며, 데이터 처리량이나 명령어 아키텍처에 따라 그 성능이 달라진다.

중앙처리장치의 유형

중앙처리장치는 먼저 32비트, 64비트 등으로 한 번에 처리할 수 있는 데이터의 양에 따라 그 유형 및 처리 속도가 달라진다. 비트는 하나의 칩으로 구현된 마이크로프로세서(Microprocessor)가 한 번에 처리할 수 있는 데이터의 크기를 의미하기도 하는데, 비트의 크기가 클수록 중앙처리장치의 속도가 빠르고 성능이 뛰어남을 의미한다.

중앙처리장치는 또한 명령어 아키텍처에 따라 CISC(Complex Instruction Set Computer) 방식과 RISC(Reduced Instruction Set Computer) 방식으로 분류된다. 초기에 많이 사용되던 CISC 방식은 대부분의 명령어를 지원하는 반면 이로 인한 다양한 주소지정 방식 등의 복잡함으로 인해 처리 속도가 다소 느리다는 특징을 가지고 있었는데, 이러한 단점을 보완한 것이 RISC 방식이다. RISC 방식은 자주 사용하는 명령어 위주로 명령어 세트를 단순화 시킨 것으로, 주소지정방식도 단순하여 상대적으로 속도가 빠르다는 장점이 있다.

중앙처리장치의 구성요소

· 산술 논리연산 장치(ALU, Arithmetic and Logic Unit) : 데이터의 비교·판단·연산 등을 수행하는 장치이다. 컴퓨터 시스템의 중앙처리장치를 구성하는 핵심 요소 중 하나로, 산술연산과 논리연산을 수행하는 회로의 집합이다.

· 제어장치(Control Unit) : 명령어의 해석과 실행을 담당하는 장치이다. 기억장치·연산장치·입출력장치에 제어 신호를 보내고 이들 장치로부터 신호를 받아 다음에 처리해야 할 작업을 제어하기 위해서는 이들 작업을 차례대로 실행하기 위한 일정한 프로세스를 가져야 하는데, 이러한 부분을 중앙에서 통제하는 역할을 수행한다.

· 레지스터(Register) : 연산 작업이나 프로세스 명령어 등을 임시로 기억하고 고속으로 처리하기 위한 장치이다. 산술 논리연산이나 정보 해석, 전송 등을 빠르게 처리할 수 있도록 한다.

· 캐시메모리(Cache Memory) : 주기억장치(Main Memory)와의 속도 차이를 보완하기 위해 부가적으로 삽입된 고속 메모리 장치이다.

중앙처리장치의 주요 기능

컴퓨터 명령어를 처리하기 위해 크게 Fetch(인출), Decode(해석), Execute(실행), Write back(쓰기)의 기능을 단계적으로 수행한다. Fetch는 프로그램 명령어를 가지고 오는 단계이고, Decode는 가져온 명령어를 해석하는 단계이며, Execute는 해석된 명령어를 실제로 실행하는 단계이다. Write back 단계에서는 명령어 실행 결과 값을 레지스터 혹은 메모리 등에 기록하고 다음 명령을 준비하게 된다.

초기의 컴퓨터는 단일 명령어를 빠르게 처리하는 데 집중하였지만, 이후에는 여러 개의 명령어 처리를 하게 됨에 따라 다수의 프로세스를 제어하고 관리하기 위한 역할도 수행하게 되었는데, 이를 문맥 교환(Context Switching)이라고 한다. 문맥 교환은 중앙처리장치가 실행 중인 프로세스를 잠시 대기시키고 우선순위가 높은 프로세스를 실행시키기 위한 정보를 갱신하는 과정으로, PCB(Process Control Block)라고 불리는 프로세스 정보저장 공간을 통해 실행 프로세스 우선순위를 갱신하게 된다. 하나의 프로세스는 실행(Running), 준비(Ready), 대기(Wating)의 세 가지 상태를 가지게 되며, 이러한 상태변화를 제어하는 역할을 수행하는 것이 중앙처리장치이다.