왜 CPU 내부를 다시 뜯어봐야 할까

05편 “컴퓨터구조 용어 지도”에서 CPU를 시스템 블록도의 한 상자로만 다뤘다. 06편에서는 폰노이만 구조와 성능 지표를 다루면서 CPU를 “명령어를 실행하는 장치”로만 취급했다. 하지만 독학사 시험은 CPU 내부가 어떤 부품으로 이뤄져 있고, 그 부품들이 신호를 주고받아 명령 하나를 어떻게 처리하는지를 구체적으로 묻는다. 09편·10편에서 배운 조합논리회로(가산기·멀티플렉서)와 순서논리회로(레지스터·플립플롭)가 실제로 CPU 안 어디에 들어가는지 확인하는 것이 이 편의 목표다.

CPU의 3대 구성요소: 레지스터·ALU·제어장치

쉽게 말하면: CPU는 값을 잠깐 저장하는 레지스터, 계산을 하는 ALU, 그리고 이 둘에게 “언제 무엇을 하라”고 지시하는 제어장치, 이 세 부품이 합쳐진 것이다.

CPU는 크게 세 부분으로 나뉜다.

1. 레지스터(register): 10편에서 다룬 플립플롭(flip-flop)을 여러 개 묶어 만든, CPU 내부의 초고속 임시 저장 공간이다. 주기억장치(main memory)보다 훨씬 빠르지만 용량은 훨씬 작다.
2. ALU(Arithmetic Logic Unit, 산술논리연산장치): 09편에서 배운 가산기(adder) 같은 조합논리회로를 조합해 만든 계산 부품이다. 덧셈·뺄셈 같은 산술 연산과 AND·OR·NOT 같은 논리 연산을 수행한다.
3. 제어장치(Control Unit, CU): 어떤 레지스터에서 어떤 레지스터로 값을 옮길지, ALU에 어떤 연산을 시킬지를 정하는 “지휘자” 역할이다. 제어장치가 내보내는 신호를 제어신호(control signal)라 한다.

레지스터의 종류와 역할

쉽게 말하면: 레지스터는 저마다 정해진 역할이 있고, 그 역할에 따라 이름이 다르다.

시험에 자주 나오는 주요 레지스터를 정리하면 다음과 같다.

PC(프로그램 카운터)는 07편에서 배운 2진 카운터(counter)의 실제 응용 사례다. 명령어를 하나 실행할 때마다 PC 값이 자동으로 증가(increment)해서 다음 명령어를 가리킨다. MAR과 MBR은 CPU와 주기억장치 사이의 “문지기” 역할을 하는데, CPU가 메모리에 접근하려면 반드시 이 두 레지스터를 거쳐야 한다.

데이터패스: 레지스터와 ALU를 잇는 길

쉽게 말하면: 데이터패스는 레지스터·ALU·버스가 서로 데이터를 주고받을 수 있도록 연결된 통로 전체를 말한다.

데이터패스(datapath)란 CPU 내부에서 데이터가 이동하는 경로, 즉 레지스터와 ALU를 연결하는 내부 버스(bus)와 그 사이에 놓인 멀티플렉서(multiplexer)·래치(latch) 등을 통틀어 부르는 말이다. 멀티플렉서는 09편에서 다룬 “여러 입력 중 하나를 선택해 출력하는” 조합논리회로인데, 데이터패스에서는 “이번 클록에는 어느 레지스터의 값을 ALU에 넣을지”를 선택하는 데 쓰인다.

데이터패스를 간단히 그리면 다음과 같은 흐름이 된다.

이 그림에서 화살표는 데이터가 흐르는 방향, 점선 화살표는 제어장치가 “언제 열고 닫을지”를 지시하는 제어신호다. 데이터 자체는 스스로 움직이지 않는다 — 제어신호가 허락해야만 레지스터에서 버스로, 버스에서 ALU로 데이터가 이동한다.

마이크로오퍼레이션: 명령어를 쪼갠 최소 동작 단위

쉽게 말하면: 마이크로오퍼레이션은 “레지스터 하나에서 다른 레지스터로 값을 옮긴다”처럼, 클록 한 번에 끝나는 가장 작은 동작이다.

마이크로오퍼레이션(micro-operation)이란 CPU가 한 클록 주기(clock cycle) 안에 수행할 수 있는 가장 작은 단위의 동작이다. 하나의 명령어(instruction)는 겉보기에 “더하라”, “저장하라” 같은 한 문장이지만, 실제 하드웨어 수준에서는 여러 개의 마이크로오퍼레이션이 순서대로 실행되어야 완성된다.

마이크로오퍼레이션은 흔히 레지스터 전송 표기법(Register Transfer Notation, RTN)으로 표현한다. 화살표 ←는 “오른쪽 값을 왼쪽 레지스터에 저장한다”는 뜻이다.

예를 들어 “메모리에서 데이터를 읽어 누산기(AC)에 더한다”는 동작 하나는 다음과 같은 마이크로오퍼레이션들로 쪼개진다.

이 세 줄이 바로 마이크로오퍼레이션의 실제 표기 예시다. 겉으로는 “메모리 값을 누산기에 더하라”는 명령어 한 줄이지만, 하드웨어는 클록 세 번에 걸쳐 이 세 단계를 순서대로 밟는다. 12편에서 이 마이크로오퍼레이션들이 인출·간접·실행·인터럽트라는 네 가지 사이클로 확장되는 과정을 자세히 다룬다.

제어장치가 마이크로오퍼레이션을 지휘하는 방법

쉽게 말하면: 제어장치는 “지금이 몇 번째 단계인지”를 알고 있다가, 그 단계에 맞는 제어신호를 내보내 정확한 순서로 마이크로오퍼레이션이 실행되게 만든다.

제어장치는 내부에 제어단계 계수기(control step counter)를 두고, 이 계수기 값에 따라 서로 다른 제어신호 조합을 내보낸다. 예를 들어 계수기가 $T_0$이면 “MAR ← IR(주소부)“에 필요한 신호를, $T_1$이면 “MBR ← M[MAR]“에 필요한 신호를 내보내는 식이다. 이 계수기는 10편에서 배운 카운터 회로 그 자체이며, 매 클록마다 값이 하나씩 증가하다가 한 명령어의 마이크로오퍼레이션이 모두 끝나면 다시 $T_0$으로 리셋된다.

제어장치가 신호를 만들어내는 방식은 크게 두 가지인데, 이는 14편 “CISC와 RISC, 제어 방식의 차이”에서 하드와이어드(hardwired) 제어와 마이크로프로그램(microprogrammed) 제어로 자세히 비교한다. 여기서는 “제어장치가 클록 단계별로 서로 다른 제어신호를 만들어 데이터패스를 움직인다”는 원리만 기억하면 된다.

자주 틀리는 점

• ALU가 스스로 “언제 계산할지” 판단한다고 착각하는 경우가 많다. ALU는 순수한 조합논리회로일 뿐이고, 언제 계산을 시작할지는 전적으로 제어장치의 제어신호가 결정한다.
• MAR과 MBR을 하나의 레지스터로 착각하거나 역할을 뒤바꿔 기억하는 실수가 잦다. MAR은 “어디를”, MBR은 “무엇을”에 해당한다.
• 마이크로오퍼레이션과 명령어(instruction)를 같은 크기의 단위로 착각하면 안 된다. 명령어 하나는 보통 여러 개의 마이크로오퍼레이션으로 이뤄진다.

핵심 정리

• CPU는 레지스터(임시 저장)·ALU(계산)·제어장치(지휘)로 구성되며, 이들을 잇는 통로 전체를 데이터패스라 한다.
• PC·IR·MAR·MBR·AC·SR은 각각 정해진 역할이 있으며, 특히 MAR(주소)과 MBR(데이터)의 역할을 구분하는 문제가 자주 나온다.
• 마이크로오퍼레이션은 클록 한 번에 끝나는 최소 동작 단위이며, MAR ← IR처럼 레지스터 전송 표기법(RTN)으로 표현한다.
• 제어장치는 제어단계 계수기 값에 따라 서로 다른 제어신호를 내보내, 마이크로오퍼레이션이 정확한 순서로 실행되게 만든다.
• 명령어 하나는 여러 마이크로오퍼레이션의 순차 실행으로 완성되며, 이 흐름은 12편의 명령 사이클에서 인출·간접·실행·인터럽트 단계로 구체화된다.

마무리 복습

참고 자료

• 국가평생교육진흥원 독학학위제 - 출제방향/수준 
• 국가평생교육진흥원 독학학위제 - 과목별 평가영역