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컴퓨터 구조와 운영체제

CPU 작동 원리 - 레지스터

• 프로그램 속 명령어와 데이터는 실행 전후로 반드시 레지스터에 저장되고, CPU 안에는 다양한 종류와 역할을 가진 레지스터들이 있다.

• CPU마다 레지스터는 모두 다르다. 그중 많은 CPU가 공통으로 포함하고 있는 레지스터들에 대해 알아보자.

알아야 할 레지스터

프로그램 카운터

• 메모리에서 가져올 명령어의 주소, 즉 메모리에서 읽어 들일 명령어의 주소를 저장한다.

명령어 레지스터

• 해석할 명령어, 즉 방금 메모리에서 읽어 들인 명령어를 저장하는 레지스터이다.

• 제어장치는 명령어 레지스터 속 명령어를 받아들이고 이를 해석한 뒤 제어 신호를 내보낸다.

메모리 주소 레지스터

• 메모리의 주소를 저장하는 레지스터이다.

• CPU가 읽어 들이고자 하는 주소 값을 주소 버스로 보낼 때 메모리 주소 레지스터를 거치게 된다.

메모리 버퍼 레지스터 (메모리 데이터 레지스터)

• 메모리와 주고받을 값(데이터와 명령어)을 저장하는 레지스터이다. 즉, 메모리에 쓰고 싶은 값이나 메모리로부터 전달받은 값은 메모리 버퍼 레지스터를 거친다.

• CPU가 주소 버스로 내보낼 값이 메모리 주소 레지스터를 거친다면, 데이터 버스로 주고 받을 값은 메모리 버퍼 레지스터를 거친다.

다음 예시를 통해 위 레지스터들이 어떻게 작동하는지 알아보자.

1. CPU가 실행할 프로그램이 1000번지부터 1500번까지 저장되어 있고, 프로그램을 처음부터 실행하기 위해 프로그램 카운터에는 1000이 저장된다.

1. 1000번지를 읽어들이기 위해서 주소 버스로 1000번지를 내보내야 하고, 이를 위해 메모리 주소 레지스터에는 1000이 저장된다.

1. 메모리 읽기 제어 신호와 메모리 주소 레지스터값이 각각 제어 버스와 주소 버스를 통해 메모리로 보내진다.

1. 메모리 1000번지에 저장된 값은 데이터 버스를 통해 메모리 버퍼 레지스터로 전달되고, 프로그램 카운터는 증가되어 다음 명령어를 읽어 들을 준비를 한다.

1. 메모리 버퍼 레지스터에 저장된 값은 명령어 레지스터로 이동한다.

1. 제어장치는 명령어 레지스터의 명령어를 해석하고 제어 신호를 발생시킨다.

플래그 레지스터

• ALU 연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보를 저장하는 레지스터

범용 레지스터

• 이름 그대로 다양하고 일반적인 상황에서 자유롭게 사용할 수 있는 레지스터

• 데이터와 주소를 모두 저장할 수 있으며, 일반적으로 CPU 안에는 여러 개의 범용 레지스터들이 있다.

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특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식

• 위에서 설명한 프로그램 카운터, 그리고 스택 포인터와 베이스 레지스터는 주소 지정 방식에 사용될 수 있는 특별한 레지스터이다.

스택 주소 지정 방식

• 스택 주소 지정 방식은 스택과 스택 포인터를 이용한 주소 지정 방식으로, 스택 포인터란 스택의 꼭대기를 나타내는 레지스터이다. 즉, 스택 포인터는 스택에 마지막으로 저장한 값의 위치를 저장하는 레지스터이다.

• 예를 들어 스택 포인터에 4번지가 저장되어 있다면 스택은 4번지까지 데이터가 채워져 있다는 것이다.

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• 스택은 메모리 안에 있다. 정확히는 메모리 안에 스택처럼 사용할 영역이 정해져 있고, 이를 스택 영역이라고 한다.

• 이 영역은 다른 주소 공간과는 다르게 스택처럼 사용하기로 암묵적으로 약속된 영역이다.

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변위 주소 지정 방식

• 명령어는 연산 코드와 오퍼랜드로 이루어져 있고, 오퍼랜드 필드에는 거의 메모리의 주소가 담긴다.

• 변위 주소 지정 방식은 오퍼랜드 필드의 값(변위)과 특정 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻어내는 주소 지정 방식이다.

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• 변위 주소 지정 방식을 사용하는 명령어는 다음과 같이 연산 코드 필드, 어떤 레지스터의 값과 더할지를 나타내는 레지스터 필드, 주소를 담고 있는 오퍼랜드 필드가 있다.

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이때 오퍼랜드 필드의 주소와 어떤 레지스터를 더하는지에 따라 상대 주소 지정 방식, 베이스 레지스터 주소 지정 방식 등으로 나뉜다.

상대 주소 지정 방식

• 상대 주소 지정 방식은 오퍼랜드와 프로그램 카운터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식이다.

• 프로그램 카운터에는 읽어 들일 명령어의 주소가 저장되어 있다. 오퍼랜드 필드의 값이 음수, 양수에 따라 실행하려는 명령어의 이전 또는 이후 번지 명령어를 실행한다.

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베이스 레지스터 주소 지정 방식

• 베이스 레지스터 주소 지정 방식은 오퍼랜드와 베이스 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식이다.

• 베이스 레지스터는 기준 주소, 오퍼랜드는 기준 주소로부터 떨어진 거리로서의 역할을 한다.

• 즉, 이 방식은 베이스 레지스터 속 기준 주소로부터 얼마나 떨어져 있는 주소에 접근할 것인지를 연산하여 유효 주소를 얻어내는 방식이다.

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