이 페이지를 읽는 데 사용하는 컴퓨터는 마이크로프로세서 를 사용하여 작업을 수행합니다. 마이크로프로세서는 데스크탑 컴퓨터 , 서버 또는 랩탑 컴퓨터 등 일반 컴퓨터의 핵심입니다 . 사용 중인 마이크로프로세서는 Pentium, K6, PowerPC, Sparc 또는 기타 여러 브랜드 및 유형의 마이크로프로세서일 수 있지만 모두 거의 동일한 방식으로 거의 동일한 작업을 수행합니다.
CPU 또는 중앙 처리 장치 라고도 하는 마이크로프로세서 는 단일 칩에서 제작되는 완전한 계산 엔진입니다. 최초의 마이크로프로세서는 1971년에 소개된 Intel 4004였습니다. 4004는 그다지 강력하지 않았습니다. 할 수 있는 일은 더하기와 빼기뿐이었고 한 번에 4 비트 만 수행할 수 있었습니다 . 그러나 모든 것이 하나의 칩에 있다는 것은 놀라운 일이었습니다. 4004년 이전에 엔지니어들은 칩 모음이나 개별 구성 요소( 한 번에 하나씩 배선된 트랜지스터)로 컴퓨터를 만들었습니다 . 4004는 최초의 휴대용 전자 계산기 중 하나였습니다.
컴퓨터의 마이크로프로세서가 무엇을 하는지 궁금하거나 마이크로프로세서 유형 간의 차이점에 대해 궁금한 적이 있다면 계속 읽으십시오. 이 기사에서는 게임을 하거나 문서의 철자법을 검사하는 컴퓨터가 얼마나 간단한 디지털 논리 기술을 사용하여 작업을 수행하는지 배우게 될 것입니다!
- 마이크로프로세서 진행: 인텔
- 마이크로프로세서 로직
- 마이크로프로세서 메모리
- 마이크로프로세서 지침
- 마이크로프로세서 성능 및 추세
- 64비트 마이크로프로세서
마이크로프로세서 진행: 인텔
가정용 컴퓨터로 만든 최초의 마이크로프로세서는 1974년에 출시된 완전한 8비트 컴퓨터인 Intel 8080이었습니다. 시장에서 진정한 반향을 일으킨 최초의 마이크로프로세서는 1979년에 도입되어 통합된 Intel 8088이었습니다. IBM PC(1982년경에 처음 등장)에 적용되었습니다. PC 시장과 그 역사를 잘 아시는 분이라면 PC 시장이 8088에서 80286, 80386, 80486, Pentium, Pentium II, Pentium III, Pentium 4로 이동했다는 사실을 아실 것입니다. 마이크로프로세서는 Intel에서 만들고 모두 8088의 기본 설계를 개선한 것입니다. Pentium 4는 원래 8088에서 실행되었던 모든 코드를 실행할 수 있지만 약 5,000배 더 빠르게 수행합니다!
2004년부터 Intel은 다중 코어와 수백만 개의 트랜지스터가 있는 마이크로프로세서를 출시했습니다. 그러나 이러한 마이크로프로세서조차도 이전 칩과 동일한 일반 규칙을 따릅니다.
이 페이지의 테이블에 대한 추가 정보:
- 날짜는 프로세서가 처음 소개했다는 년입니다. 많은 프로세서가 원래 릴리스 날짜 이후 수년 동안 더 높은 클럭 속도로 다시 도입됩니다.
- 트랜지스터 는 칩에 있는 트랜지스터의 수입니다. 단일 칩의 트랜지스터 수가 수년에 걸쳐 꾸준히 증가했음을 알 수 있습니다.
- 마이크론 은 칩에서 가장 작은 와이어의 너비(마이크론)입니다. 비교를 위해 사람의 머리카락은 100미크론의 두께입니다. 칩의 피처 크기가 줄어들면 트랜지스터 수가 늘어납니다.
- 클럭 속도 는 칩이 클럭될 수 있는 최대 속도입니다. 클럭 속도는 다음 섹션에서 더 이해가 될 것입니다.
- 데이터 너비 는 ALU의 너비입니다. 8비트 ALU는 더하기/빼기/곱하기 등을 할 수 있습니다. 2개의 8비트 숫자, 32비트 ALU는 32비트 숫자를 조작할 수 있습니다. 8비트 ALU는 2개의 32비트 숫자를 더하기 위해 4개의 명령어를 실행해야 하지만 32비트 ALU는 하나의 명령어로 수행할 수 있습니다. 많은 경우 외부 데이터 버스의 너비는 ALU와 같지만 항상 그런 것은 아닙니다. 8088에는 16비트 ALU와 8비트 버스가 있는 반면 최신 펜티엄은 32비트 ALU에 대해 한 번에 64비트 데이터를 가져옵니다.
- MIPS 는 "millions of instructions per second"의 약자로 CPU의 성능을 대략적으로 측정한 것입니다. 최신 CPU는 MIPS 등급이 의미를 상실할 정도로 다양한 작업을 수행할 수 있지만 이 칼럼에서 CPU의 상대적인 성능에 대한 일반적인 감각을 얻을 수 있습니다.
이 표에서 일반적으로 클럭 속도와 MIPS 사이에 관계가 있음을 알 수 있습니다. 최대 클럭 속도는 칩 내에서 제조 공정 및 지연의 함수입니다. 트랜지스터의 수와 MIPS 사이에도 관계가 있습니다. 예를 들어, 8088은 5MHz로 클럭되었지만 0.33MIPS에서만 실행되었습니다(15클럭 사이클당 약 1개의 명령어). 최신 프로세서는 종종 클록 주기당 2개의 명령어 속도로 실행할 수 있습니다. 이러한 개선은 칩의 트랜지스터 수와 직접적인 관련이 있으며 다음 섹션에서 더 이해할 수 있습니다.
칩이 뭔가요?
칩은 또한 호출 집적 회로 . 일반적으로 마이크로프로세서를 구성하는 트랜지스터가 에칭된 작고 얇은 실리콘 조각입니다. 칩은 한 면이 인치만큼 크며 수천만 개의 트랜지스터를 포함할 수 있습니다. 더 간단한 프로세서는 몇 밀리미터 정사각형 칩에 에칭된 수천 개의 트랜지스터로 구성될 수 있습니다.
마이크로프로세서 로직
마이크로프로세서가 어떻게 작동하는지 이해하려면 내부를 살펴보고 마이크로프로세서를 만드는 데 사용되는 논리에 대해 배우는 것이 좋습니다. 이 과정에서 어셈블리 언어( 마이크로프로세서의 모국어)와 엔지니어가 프로세서의 속도를 높이기 위해 할 수 있는 많은 일에 대해서도 배울 수 있습니다 .
마이크로프로세서는 프로세서에게 수행할 작업을 지시하는 기계 명령 모음을 실행합니다. 지침에 따라 마이크로프로세서는 세 가지 기본 작업을 수행합니다.
- ALU(산술/논리 단위)를 사용하여 마이크로프로세서는 덧셈, 뺄셈, 곱셈 및 나눗셈과 같은 수학적 연산을 수행할 수 있습니다. 최신 마이크로프로세서에는 큰 부동 소수점 수에 대해 매우 정교한 연산을 수행할 수 있는 완전한 부동 소수점 프로세서가 포함되어 있습니다.
- 마이크로프로세서는 한 메모리 위치에서 다른 메모리 위치 로 데이터를 이동할 수 있습니다 .
- 마이크로프로세서는 결정을 내리고 이러한 결정에 따라 새로운 명령 세트로 이동할 수 있습니다.
마이크로프로세서가 하는 일에는 매우 정교한 일이 있을 수 있지만 이것이 세 가지 기본 활동입니다. 다음 다이어그램은 이 세 가지 작업을 수행할 수 있는 매우 간단한 마이크로프로세서를 보여줍니다.
이것은 마이크로프로세서만큼 간단합니다. 이 마이크로프로세서에는 다음이 있습니다.
- 어드레스 버스 메모리 어드레스를 송신한다 (폭 8, 16 또는 32 비트 일 수 있음)
- 데이터 버스 메모리로 데이터를 전송 또는 메모리로부터 데이터를 수신 할 수있다 (폭 8, 16 또는 32 비트 일 수 있음)
- RD (읽기)와 WR (쓰기) 라인은 설정하고자 여부 메모리를 말하거나 위치를 언급 얻을 수
- 클록 라인 프로세서 시퀀스 클록 펄스 수
- 프로그램 카운터를 0(또는 무엇이든)으로 재설정하고 실행을 다시 시작 하는 재설정 라인
이 예에서 주소 및 데이터 버스의 너비가 모두 8비트라고 가정해 보겠습니다.
이 간단한 마이크로프로세서의 구성 요소는 다음과 같습니다.
- 레지스터 A, B 및 C는 단순히 플립플롭으로 만들어진 래치입니다. (자세한 내용은 부울 논리 작동 방식의 "에지 트리거 래치" 섹션을 참조 하세요.)
- 주소 래치는 레지스터 A, B, C와 같습니다.
- 프로그램 카운터는 그렇게 하라는 지시가 있을 때 1씩 증가하고 지시가 있을 때 0으로 재설정할 수 있는 추가 기능이 있는 래치입니다.
- ALU는 8비트 가산기만큼 간단하거나(자세한 내용은 부울 논리 작동 방식의 가산기 섹션 참조) 8비트 값을 더하고, 빼고, 곱하고, 나눌 수 있습니다. 여기서는 후자를 가정해 봅시다.
- 테스트 레지스터는 ALU에서 수행된 비교 값을 보유할 수 있는 특수 래치입니다. ALU는 일반적으로 두 숫자를 비교하여 동일한지, 하나가 다른 것보다 큰지 등을 결정할 수 있습니다. 테스트 레지스터는 일반적으로 가산기의 마지막 단계에서 캐리 비트를 보유할 수도 있습니다. 이 값을 플립플롭에 저장하면 명령어 디코더가 값을 사용하여 결정을 내릴 수 있습니다.
- 다이어그램에 "3-State"로 표시된 6개의 상자가 있습니다. 이것들은 3상태 버퍼 입니다. 3상태 버퍼는 1, 0을 전달할 수 있거나 본질적으로 출력 연결을 끊을 수 있습니다(출력이 향하는 와이어에서 출력 라인을 완전히 분리하는 스위치를 상상해 보세요). 3상태 버퍼를 사용하면 여러 출력을 와이어에 연결할 수 있지만 그 중 하나만 실제로 1 또는 0을 라인에 구동할 수 있습니다.
- 명령어 레지스터와 명령어 디코더는 다른 모든 구성 요소를 제어하는 역할을 합니다.
이 다이어그램에는 표시되지 않지만 다음과 같은 명령 디코더의 제어 라인이 있습니다.
- A 레지스터에 데이터 버스에 있는 현재 값을 래치하도록 지시
- 데이터 버스에 있는 현재 값을 래치하도록 B 레지스터에 지시
- ALU에 의해 현재 출력된 값을 래치하도록 C 레지스터에 지시
- 프로그램 카운터 레지스터에 데이터 버스에 있는 현재 값을 래치하도록 지시
- 데이터 버스에 있는 현재 값을 래치하도록 주소 레지스터에 지시
- 데이터 버스에 있는 현재 값을 래치하도록 명령 레지스터에 지시
- 증가하도록 프로그램 카운터에 지시
- 프로그램 카운터에 0으로 재설정하도록 지시
- 6개의 tri-state 버퍼 중 하나를 활성화합니다(6개의 개별 라인).
- ALU에게 수행할 작업을 알려줍니다.
- ALU의 테스트 비트를 래치하도록 테스트 레지스터에 지시
- RD 라인 활성화
- WR 라인 활성화
명령어 디코더에는 테스트 레지스터와 클럭 라인의 비트와 명령어 레지스터의 비트가 들어갑니다.
마이크로프로세서 메모리
이전 섹션에서는 주소 및 데이터 버스, RD 및 WR 라인에 대해 설명했습니다. 이 버스와 라인은 RAM 또는 ROM에 연결됩니다. 일반적으로 둘 다입니다. 샘플 마이크로프로세서에는 8비트 너비의 주소 버스와 8비트 너비의 데이터 버스가 있습니다. 이는 마이크로프로세서가 (2 8 ) 256바이트의 메모리를 처리할 수 있고 한 번에 8비트의 메모리를 읽거나 쓸 수 있음을 의미합니다 . 이 간단한 마이크로프로세서에 주소 0에서 시작하는 128바이트의 ROM과 주소 128에서 시작하는 128바이트의 RAM이 있다고 가정해 보겠습니다.
ROM 은 읽기 전용 메모리를 나타냅니다. ROM 칩은 사전 설정된 바이트의 영구 컬렉션으로 프로그래밍됩니다. 주소 버스는 데이터 버스에 어떤 바이트를 가져와서 배치할지 ROM 칩에 알려줍니다. RD 라인이 상태를 변경하면 ROM 칩은 선택한 바이트를 데이터 버스에 표시합니다.
RAM 은 랜덤 액세스 메모리를 나타냅니다. RAM에는 바이트의 정보가 포함되어 있으며 마이크로프로세서는 RD 또는 WR 라인이 신호를 받는지 여부에 따라 해당 바이트를 읽거나 쓸 수 있습니다. 오늘날 RAM 칩의 한 가지 문제는 전원 이 꺼지면 모든 것을 잊어버린다 는 것입니다. 이것이 컴퓨터에 ROM이 필요한 이유입니다.
그건 그렇고, 거의 모든 컴퓨터에는 일정량의 ROM이 포함되어 있습니다(RAM이 포함되지 않은 간단한 컴퓨터를 만드는 것이 가능합니다. 많은 마이크로컨트롤러 는 프로세서 칩 자체에 소수의 RAM 바이트를 배치하여 이를 수행하지만 일반적으로 생성하는 것은 불가능합니다. ROM이 없는 것). A의 PC 의 ROM이라고 BIOS (기본 입 / 출력 시스템). 마이크로프로세서가 시작되면 BIOS에서 찾은 명령을 실행하기 시작합니다. BIOS 명령은 시스템의 하드웨어를 테스트하는 것과 같은 작업을 수행한 다음 하드 디스크로 이동하여 부트 섹터 를 가져옵니다 ( 하드 디스크 작동 방식 참조자세한 내용은). 이 부트 섹터는 또 다른 작은 프로그램이며 BIOS는 디스크에서 읽은 후 RAM에 저장합니다. 그런 다음 마이크로프로세서는 RAM에서 부트 섹터의 명령을 실행하기 시작합니다. 부트 섹터 프로그램은 마이크로프로세서에 하드 디스크에서 RAM으로 다른 것을 페치하도록 지시하고, 그 다음 마이크로프로세서가 실행하는 식입니다. 이것이 마이크로프로세서가 전체 운영 체제를 로드하고 실행하는 방법 입니다.
마이크로프로세서 지침
이전 예에서 보인 매우 단순한 마이크로프로세서조차도 수행할 수 있는 명령 세트가 상당히 많습니다. 명령어 모음은 비트 패턴으로 구현되며, 각 비트 패턴은 명령어 레지스터에 로드될 때 다른 의미를 갖습니다. 인간은 특히 비트 패턴을 잘 기억하지 못하므로 다양한 비트 패턴을 나타내기 위해 짧은 단어 세트가 정의됩니다. 이 단어 모음을 프로세서 의 어셈블리 언어 라고 합니다 . 어셈블러는 아주 쉽게 비트 패턴으로 단어를 번역 할 수 있으며, 다음 어셈블러의 출력을 실행하는 마이크로 프로세서의 메모리에 저장됩니다.
다음은 디자이너가 이 예제에서 간단한 마이크로프로세서에 대해 생성할 수 있는 어셈블리 언어 명령어 세트입니다.
- LOADA mem - 메모리 주소에서 레지스터 A 로드
- LOADB mem - 메모리 주소에서 레지스터 B 로드
- CONB con - 레지스터 B에 상수 값 로드
- SAVEB mem - 레지스터 B를 메모리 주소에 저장
- SAVEC mem - 레지스터 C를 메모리 주소에 저장
- ADD - A와 B를 더하고 결과를 C에 저장
- SUB - A와 B를 빼고 결과를 C에 저장
- MUL - A와 B를 곱하고 결과를 C에 저장
- DIV - A와 B를 나누고 결과를 C에 저장
- COM - A와 B를 비교하고 결과를 테스트에 저장
- JUMP addr - 주소로 점프
- JEQ addr - 같으면 주소로 점프
- JNEQ addr - 같지 않은 경우 주소로 점프
- JG addr - 보다 크면 주소로 점프
- JGE addr - 크거나 같으면 주소로 점프
- JL addr - 주소보다 작으면 점프
- JLE addr - 작거나 같으면 주소로 점프
- STOP - 실행 중지
How C Programming Works 를 읽었다면 이 간단한 C 코드가 5의 계승을 계산한다는 것을 알고 있습니다(여기서 5의 계승은 5! = 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 120).
프로그램 실행이 끝나면 변수 f 에는 5의 계승이 포함됩니다.
어셈블리어
C 컴파일러는 어셈블리 언어로이 C 코드를 변환합니다. RAM이 이 프로세서의 주소 128에서 시작하고 ROM(어셈블리 언어 프로그램 포함)이 주소 0에서 시작한다고 가정하면 간단한 마이크로프로세서의 경우 어셈블리 언어는 다음과 같을 수 있습니다.
ROM
이제 질문은 "이 모든 명령이 ROM에서 어떻게 보이는가?"입니다. 이러한 각 어셈블리 언어 명령어는 이진수로 표시되어야 합니다. 단순함을 위해 다음과 같이 각 어셈블리 언어 명령어에 고유 번호가 지정되어 있다고 가정해 보겠습니다.
- 로드 - 1
- 로드 - 2
- CONB - 3
- 저장 - 4
- SAVEC 메모리 - 5
- 추가 - 6
- 서브 - 7
- MUL - 8
- DIV - 9
- COM - 10
- 점프 주소 - 11
- JEQ 주소 - 12
- JNEQ 주소 - 13
- JG 주소 - 14
- JGE 주소 - 15
- JL 주소 - 16
- JLE 주소 - 17
- 중지 - 18
숫자는 opcode 로 알려져 있습니다 . ROM에서 우리의 작은 프로그램은 다음과 같습니다.
7줄의 C 코드가 18줄의 어셈블리 언어가 되었고 ROM에서 32바이트가 된 것을 볼 수 있습니다.
디코딩
명령어 디코더는 각 연산 코드를 마이크로프로세서 내부의 다른 구성 요소를 구동하는 신호 세트로 변환해야 합니다. ADD 명령어를 예로 들어 수행해야 하는 작업을 살펴보겠습니다.
- 첫 번째 클록 주기 동안 실제로 명령어를 로드해야 합니다. 따라서 명령어 디코더는 다음을 수행해야 합니다. 프로그램 카운터에 대한 3상태 버퍼 활성화 RD 라인 활성화 데이터 입력 3상태 버퍼 활성화 명령어 레지스터에 명령어 래치
- 두 번째 클록 주기 동안 ADD 명령이 디코딩됩니다. 아주 약간만 수행할 필요가 있습니다. ALU의 출력을 C 레지스터에 추가 래치하도록 ALU의 작업을 설정합니다.
- 세 번째 클록 주기 동안 프로그램 카운터가 증가합니다(이론적으로 이것은 두 번째 클록 주기와 겹칠 수 있음).
모든 명령어는 마이크로프로세서의 구성 요소를 적절한 순서로 조작하는 이와 같은 일련의 작업으로 나눌 수 있습니다. 이 ADD 명령어와 같은 일부 명령어는 2개 또는 3개의 클럭 사이클이 필요할 수 있습니다. 다른 것들은 5 또는 6 클럭 사이클이 걸릴 수 있습니다.
마이크로프로세서 성능 및 추세
수 트랜지스터를 사용할 수는 프로세서의 성능에 큰 영향을 미친다. 앞서 보았듯이 8088과 같은 프로세서의 일반적인 명령어는 실행하는 데 15클럭 사이클이 걸립니다. 곱셈기의 설계로 인해 8088에서 16비트 곱셈을 한 번 수행하는 데 약 80사이클이 걸렸습니다. 트랜지스터가 많을수록 단일 사이클 속도가 가능한 훨씬 더 강력한 곱셈기가 가능해집니다.
더 많은 트랜지스터는 또한 파이프라이닝 이라는 기술을 허용합니다 . 파이프라인 아키텍처에서 명령 실행은 겹칩니다. 따라서 각 명령어를 실행하는 데 5개의 클록 주기가 걸릴 수 있지만 동시에 다양한 실행 단계에서 5개의 명령어가 있을 수 있습니다. 그렇게 하면 하나의 명령어가 모든 클록 사이클을 완료하는 것처럼 보입니다.
많은 최신 프로세서에는 각각 고유한 파이프라인이 있는 여러 명령 디코더가 있습니다. 이것은 다중 명령 스트림을 허용합니다. 즉, 각 클록 주기 동안 둘 이상의 명령이 완료될 수 있습니다. 이 기술은 구현하기가 상당히 복잡할 수 있으므로 많은 트랜지스터가 필요합니다.
트렌드
프로세서 설계의 추세는 주로 빠른 부동 소수점 프로세서가 내장되어 있고 다중 명령 스트림으로 파이프라인 실행되는 전체 32비트 ALU를 지향하는 것입니다. 프로세서 설계의 최신 기술은 64비트 ALU이며, 사람들은 향후 10년 동안 가정용 PC에 이러한 프로세서를 사용할 것으로 예상됩니다. 또한 특정 작업을 특히 효율적으로 만드는 특수 명령(예: MMX 명령) 과 프로세서 칩에 하드웨어 가상 메모리 지원 및 L1 캐싱 을 추가하는 경향이 있습니다 . 이러한 모든 경향은 트랜지스터 수를 증가시켜 오늘날 사용할 수 있는 수백만 개의 트랜지스터 강국으로 이어집니다. 이 프로세서는 초당 약 10억 개의 명령을 실행할 수 있습니다!
64비트 마이크로프로세서
64비트 프로세서는 1992년부터 우리와 함께 했으며 21세기에 주류가 되기 시작했습니다. Intel과 AMD 모두 64비트 칩을 도입했으며 Mac G5는 64비트 프로세서를 자랑합니다. 64비트 프로세서에는 64비트 ALU, 64비트 레지스터, 64비트 버스 등이 있습니다.
세계가 64비트 프로세서를 필요로 하는 한 가지 이유는 확장된 주소 공간 때문입니다 . 32비트 칩은 종종 최대 2GB 또는 4GB의 RAM 액세스로 제한 됩니다. 대부분의 가정용 컴퓨터가 현재 256MB에서 512MB의 RAM만 사용한다는 점을 고려할 때 이는 많은 것처럼 들립니다. 그러나 4GB 제한은 서버 시스템과 대규모 데이터베이스를 실행하는 시스템에 심각한 문제가 될 수 있습니다 . 그리고 현재 추세가 계속된다면 가정용 컴퓨터 조차도 곧 2GB 또는 4GB 제한에 부딪히기 시작할 것입니다. 64비트 칩에는 이러한 제약이 없습니다. 64비트 RAM 주소 공간은 본질적으로 예측 가능한 미래에 대해 무한하기 때문입니다. 2^64바이트의 RAM은 10억 기가바이트의 RAM 정도입니다.
마더보드 에 64 비트 주소 버스와 넓은 고속 데이터 버스가 있는 64비트 시스템은 하드 디스크 드라이브 및 비디오 카드 와 같은 것에 대해 더 빠른 I/O(입력/출력) 속도를 제공 합니다 . 이러한 기능은 시스템 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다.
서버는 확실히 64비트의 이점을 누릴 수 있지만 일반 사용자는 어떻습니까? RAM 솔루션 외에도 64비트 칩이 "일반 사용자"에게 현재로서는 실질적이고 실질적인 이점을 제공하는지 여부는 분명하지 않습니다. 그들은 데이터(매우 복잡한 데이터는 많은 실수를 특징으로 함)를 더 빠르게 처리할 수 있습니다. 하는 사람들 비디오 편집을 매우 큰 이미지를 사진 편집을하는 사람들이 컴퓨팅 파워 이런 종류의 혜택을 누릴 수 있습니다. 고급 게임도 64비트 기능을 활용하도록 다시 코딩되면 이점이 있습니다. 그러나 전자 메일을 읽고 웹을 검색하고 Word 문서를 편집 하는 일반 사용자는 실제로 그런 방식으로 프로세서를 사용하지 않습니다.
마이크로프로세서 및 관련 주제에 대한 자세한 내용은 다음 페이지의 링크를 확인하십시오.
