6. 제어장치(Control Unit)

 6.1 제어 장치의 개념

  - 주기억 장치에 들어 있는 일련의 명령어를 순서대로 하나씩 호출하여 그 명령어의 의미를 해독한 후 결과에 따라서 컴퓨터의 각 장치를 동작시킴으로써 데이터를 명령대로 처리하는 장치.

  - 제어장치의 두 가지 제어 기능

   ① 프로그램에서 의도한 대로 프로그램 내의 명령들이 순서에 따라 수행되도록 하기 위한 제어 기능

   ② 프로그램 내의 각 명령어의 연산자 부분이 표시하는 명령이 올바로 수행되도록 하기 위한 제어 기능

 6.2 제어 장치의 구성요소

<그림 6.2  제어장치의 구성>

  6.2.1 명령 레지스터(IR: instruction register)

  - 주기억 장치에서 인출된 명령어를 기억하는 레지스터

  - 명령어의 명령부에 있는 명령 코드는 명령 해독기(instruction decoder)로 보내져 해독

  - 명령어의 주소부에 있는 주소는 주소 해독기(address decoder)로 보내져서 해독 

  6.2.2 명령 해독기(instruction decoder)

  - 프로그램(또는 명령어)을 중앙 처리 장치가 실행하기 위하여 명령의 내용을 해독

  - 명령 레지스터에 저장되어 있는 명령어를 해독(분석)하는 논리 회로로 구성

  - 명령 해독의 주요 대상은 명령어의 연산자 부분(op code)

  6.2.3 제어 신호 발생기

  - 타이밍 발생 회로와 제어 회로로 구성

  - 명령 해독기로부터 온 제어 신호에 따라 명령어를 실행하는데 필요한 기계 사이클(제어  함수)를 발생시켜 각 장치에 보내는 논리회로

  6.2.4 프로그램 계수기(PC; program counter)

  - 다음에 실행될 명령어가 기억되어 있는 주 기억 장치의 주소를 기억하고 있는 레지스터

  - 프로그램에서 분기할 때를 제외하고는 각 명령어가 수행될 때마다 1 ∼ 4 바이트의 일정한 값만큼씩 증가

 6.3 명령의 실행 순서

  1. 호출 사이클(fetch cycle) : 기억 장치의 주소를 지정하는데 따라 명령어를 인출

  2. 실행 사이클(execute cycle) : 읽어 낸 명령어를 해석∙ 실행

  3. 순차 제어(sequence control) : 컴퓨터 내부에서는 클럭(clock)을 기본으로 하여 한 번에 1 명령씩을 순차적으로 실행

<그림 6.1 직명령 수행과 제어>

 그림 6.1의 설명

   ① PC에 기억된 주소를 주기억장치로 전송

   ② 수행할 명령을 명령 레지스터(IR)에 전송

   ③ 명령의 연산자 부분과 피연산자 부분이 각각 제어신호 발생기와 주소 처리기로 전송

   ④ 주소 처리기는 피연산자를 인출할 경우에는 그 주소를 계산하고 수행될 명령의 순서가 바뀔 때는 다음에 수행될 명령의 주소를 계산

   ⑤ 제어 신호 발생기에서는 연산자를 해독하여 명령 수행을 위한 제어 신호를 발생시키며 수행 순서를 변경시킬 때는 주소 처리기를 동작시켜 수행될 명령의 주소를 계산

   ⑥ 현재 IR에 있는 명령의 수행이 끝나면 수행 순서를 변경시키는 명령이면 새로운 주소를 PC에 보내고 그렇지 않은 경우에는 PC의 내용을 증가

7. 메모리

 <그림 7.1 기억장치의 계층 구조>

7.1 레지스터

  7.1.1 레지스터의 정의

   - CPU 내부에서 처리할 명령어나 연산의 중간 결과 값 등을 일시적으로 기억하는 임시 기억장소

  7.1.2 레지스터의 특징

   - 레지스터는 플립플롭(Flip-Flop)이나 래치(Latch)들을 병렬로 연결하여 구성한다.

   - 레지스터는 메모리 중에서 속도가 가장 빠르다.

  7.1.3 레지스터의 종류 및 기능

   (1) 프로그램 카운터, 프로그램 계수기 (PC, Program Counter)

    - 다음 번에 실행할 명령어의 번지를 기억하는 레지스터

    - 분기 명령이 실행되는 경우 그 목적지 주소로 갱신

   (2) 명령 레지스터 (IR, Instruction Register)

    - 현재 실행 중인 명령의 내용을 기억하는 레지스터

   (3) 누산기 (AC, Accumulator)

    - 연산된 결과를 일시적으로 저장하는 레지스터의 연산의 중심

   (4) 상태 레지스터 (Staus Register), PSWR (Program Status Word Register), 플래그 레지스터

    - 시스템 내부의 순간순간의 상태를 기록된 정보를 PSW라고 한다.

    - 오버플로, 언더플로, 자리올림, 계산상태(0,-,+), 인터럽트 등의 PSW를 저장하고 있는 레지스터

   (5) 메모리 주소 레지스터 (MAR, Memory Address Register)

    - 기억장치를 출입하는 데이터의 번지를 기억하는 레지스터

   (6) 메모리 버퍼 레지스터 (MBR, Memory Buffer Register)

    - 기억장치를 출입하는 데이터가 잠시 기억되는 레지스터

   (7) 인덱스 레지스터 (Index Register)

    - 주소의 변경, 서브루틴 연결 및 프로그램에서의 반복 연산의 횟수를 세는 레지스터

   (8) 데이터 레지스터 (Data Register)

    - 연산에 사용될 데이터를 기억하는 레지스터

   (9) Shift Register

    - 저장된 값을 왼쪽 또는 오른쪽으로 1Bit씩 자리를 이동시키는 레지스터

    - 2배 길이 레지스터라고 함

   (10) Major Status Register

    - CPU의 메이저 상태를 저장하고 있는 레지스터

7.2 캐시 메모리 (Cache Memory)

  7.2.1 캐시 메모리의 정의

   - CPU의 처리 속도와 주기억장치의 접근 속도를 줄이기 위해 사용하는 고속 Buffer Memory

<그림 7.2 캐시 메모리 구조>

7.2.2  캐시 메모리 의 특징

   - 캐시는 주기억장치와 CPU 사이에 위치한다.

   - 캐시 메모리는 메모리 계층 구조에서 가장 빠른 소자이며, 처리속도가 거의 CPU의 속도와 비슷할 정도이다.

   - 캐시를 사용하면 주기억장치를 접근하는 횟수가 줄어듦으로 컴퓨터의 처리 속도가 향상된다.

   - 캐시 주소표는 검색시간을 단축시키기 위해 주로 연관 기억장치를 사용한다.

   - 캐시의 크기는 보통 수십 KByte~ 수백 KByte이다.

7.4 RAM (Random Access Memory)

  7.4.1 RAM의 정의

   - 자유롭게 읽고 쓸 수 있는 기억장치로, RWM (Read Write Memory) 라고도 함.

  7.4.2 RAM의 특징

   - RAM에는 현재 사용 중인 프로그램이나 데이터가 저장

   - 전원이 꺼지면 기억된 내용이 모두 사라지게 되는 휘발성 메모리

   - 일반적으로 주기억장치 또는 메모리 하면 램을 의미

   - 정보가 저장된 취치는 주소로 구분

  7.4.3 RAM의 구분 

  ⑴ 외형에 따른 구분

   ① DIP RAM(Dual Line Package RAM)

  - 판이 칩의 양옆에 나란히 부착된 형태

   ② Module RAM

  - 메모리칩을 한데 모아 붙여놓은 기판 형태 (CPU로 데이터를 입출력하는 폭)

    * 한 꺼번에 처리할 수 있는 데이터 양에 따른 구분

   1) SIMM(single in-line memory module) (32bit)

   - 30핀 : 286 ~ 486 DRAM

   - 72핀 : 486 펜티엄 DRAM, EDODRAM

   2) DIMM(dual in-line memory module) (64bit)

   - SODIMM 핀 간격이 좁음

   - 144핀 노트북의 EDODRAM, SDRAM

   - 168핀 펜티엄 TX이상, 펜티엄|| - PC100용의

  ⑵ 속도에 따른 구분

  FRM DRAM -> EDO DRAM -> SD RAM -> Rambus DRAM -> Direct RaMbus DRAM

  ⑶ 기억 방식에 따른 구분

   - RAM은 재충전 여부에 따라 동적 램(DRAM, Dynamic RAM)과 정적 램(SRAM, Static    RAM으로 구분된다.

<그림 7.3 DRAM>

<그림 7.4 SRAM>

<표 7.2 SRAM과 DRAM의 특징 비교>

구 분	DRAM	SRAM
구성소자	콘덴서	플립플롭
특징	전원이 공급되어도 일정시간이 지나면 전하가 방전되므로 주기적인 재충전이 필요함	전원이 공급되는 동안에는 기억 내용이 유지됨
전력소모	적음	많음
접근속도	느림	빠름
집적도	높음	낮음
가격	저가	고가
용도	일반적인 주기억장치	캐시 메모리

 ⑷ 이용현황에 따른 구분

  ① 메인 메모리

  - DRAM, EDORAM, SDRAM, RDRAM, DRDRAM

  ② L2 캐시

  - SRAM, BSRAM, PBSRAM