2.1.1. 연산 장치 구조 분석: 레지스터 구조 및 구성, ALU 구조 및 동작

2.1.1. 연산 장치 구조 분석

1. 중앙처리장치(CPU) 내 주요 레지스터 구조

레지스터는 CPU 내부에서 데이터를 아주 빠르게 일시적으로 저장하는 공간입니다. 각 레지스터의 풀네임과 역할을 매칭하는 것이 시험의 핵심입니다.

• PC (Program Counter, 프로그램 카운터): 다음번에 실행할 명령어의 주소를 보관합니다. 실행 시마다 자동으로 증가합니다.
• MAR (Memory Address Register, 메모리 주소 레지스터): CPU가 읽거나 쓰려는 메모리의 주소를 일시적으로 보관합니다.
• MBR (Memory Buffer Register, 메모리 버퍼 레지스터): 메모리에서 읽어온 데이터나 메모리에 쓰려는 데이터를 일시적으로 보관합니다. (MDR이라고도 함)
• IR (Instruction Register, 명령어 레지스터): 메모리에서 가져온 현재 실행 중인 명령어 자체를 보관합니다.
• AC (Accumulator, 누산기): ALU의 연산 결과나 데이터를 일시적으로 저장하는 가장 대표적인 레지스터입니다.
• ID (Instruction Decoder, 명령어 해독기): IR에 있는 명령어를 해석하여 각 장치에 제어 신호를 보냅니다.

JTAG

칩 내부의 회로를 테스트하거나, 완성된 보드에서 CPU의 상태를 디버깅하고 펌웨어를 구울 때 사용하는 경계 주사(Boundary Scan) 표준 인터페이스.

핀 이름	풀네임	역할 설명
TDI	Test Data In	테스트 데이터를 칩 안으로 밀어넣는 입력 핀
TDO	Test Data Out	테스트 결과를 칩 밖으로 보내는 출력 핀
TCK	Test Clock	테스트의 동기화를 맞추기 위한 클록 신호
TMS	Test Mode Select	제어 상태(TAP Controller)를 결정하는 모드 선택 신호
TRST	Test Reset	(선택 사항) 테스트 로직을 초기화하는 리셋 신호

 

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2. 산술논리연산장치(ALU)의 구조와 동작

ALU는 실제로 계산을 수행하는 장치입니다. 크게 산술 연산과 논리 연산을 담당합니다.

• 산술 연산: 더하기($+$), 빼기($-$), 곱하기($\times$), 나누기($\div$) 등을 수행합니다. 내부적으로는 **가산기(Adder)**와 **보수기(Complementer)**를 사용하여 모든 사칙연산을 처리합니다.
• 논리 연산: AND, OR, NOT, XOR, Shift 등의 논리적인 판단을 수행합니다.
• 구성 요소:
  • 가산기(Adder): 두 수의 합을 구합니다.
  • 보수기(Complementer): 뺄셈을 위해 입력된 값을 보수로 변환합니다.
  • 시프터(Shifter): 비트를 왼쪽이나 오른쪽으로 이동시킵니다.
  • 상태 레지스터(Status Register): 연산 결과의 상태를 플래그로 저장합니다.

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3. 상태 레지스터와 플래그(Flag) - ★매우 중요

ALU 연산 결과가 어떤 상태인지를 나타내는 지표입니다. 보기에 섞여 나오기 아주 좋습니다.

플래그 명칭	의미	설명
Carry (C)	올림수	연산 결과 자릿수가 넘어갔을 때 (Carry 발생) 1이 됨
Zero (Z)	0 결과	연산 결과가 정확히 0일 때 1이 됨
Sign (S/N)	부호	결과가 음수(−)이면 1, 양수(+)이면 0이 됨
Overflow (V)	오버플로	허용된 범위를 초과하여 계산 결과가 잘못되었을 때 1이 됨
Interrupt (I)	인터럽트	인터럽트 가능 여부를 표시함

 

 

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• 주소는 MAR, 내용은 MBR: 이름에 Address가 들어가면 주소, Buffer가 들어가면 데이터(내용)입니다.
• 다음은 PC, 현재는 IR: '다음'이라는 단어가 보이면 무조건 PC를 고르세요.
• 연산의 중심은 AC: 연산 결과가 어디에 남느냐고 물으면 대부분 누산기(AC)가 답입니다.
• 보수기의 존재 이유: CPU는 뺄셈 장치가 따로 없어서, 보수기를 이용해 덧셈으로 뺄셈을 구현합니다.