[CS] Chapter 4-1. ALU와 제어장치

📚 참고: 강민철 지음, 혼자 공부하는 컴퓨터구조 + 운영체제

🧠 핵심 개념 한눈에 보기

• ALU(Arithmetic Logic Unit): CPU 내부에서 산술·논리 연산을 수행하는 장치

• 제어장치(Control Unit): 명령어를 해석하고 각 부품으로 제어 신호를 내보내는 장치

• 레지스터(Register): CPU 내부의 초고속 저장소. 연산 대상·중간 결과·상태(플래그)를 보관

🧮 ALU가 다루는 입력과 출력

• 입력: 레지스터에 있는 피연산자(예: 1, 2), 제어장치가 내보내는 제어 신호

• 출력: 계산 결과 값, 그리고 결과의 상태를 나타내는 플래그(조건 코드)

🚩 플래그(조건 코드) 종류

연산 결과에 대한 추가 정보를 나타내며, 분기/예외 처리 등에 활용됩니다.

플래그	의미	세부 설명
Zero(Z)	결과가 0인지	연산 결과가 0이면 1, 아니면 0
Sign(S)/Negative(N)	부호 비트	결과의 최상위 비트(부호)가 1이면 음수로 간주
Carry(C)	자리올림/자리내림 발생	무부호 덧셈의 자리올림, 뺄셈의 자리내림 발생 여부
Overflow(V)	부호 있는 오버플로	2의 보수 해석에서 범위를 벗어나면 1
Parity(P)	패리티	결과의 1 비트 개수의 짝/홀 여부(일부 ISA에서 사용)
Auxiliary Carry(AC)/Half Carry(H)	하프 바이트 자리올림	BCD/니블 연산 보정에 사용(일부 ISA 전통)

🧭 제어장치의 역할

1) 명령어 해독: 다음에 수행할 동작과 필요한 피연산자 위치 해석
2) 제어 신호 생성: ALU, 레지스터 파일, 메모리/버스, 입출력 장치로 신호 전송
3) 플래그/상태 참조: 분기 판단 등 흐름 제어에 활용

⚡ 레지스터와 메모리의 속도 차이, 그리고 성능

메모리 접근은 레지스터 접근보다 훨씬 느립니다.
그래서 CPU -> 메모리 속도 <<<< CPU -> 레지스터 속도 라고 표현합니다.

• 대략적 감각치(세대/구성 따라 다름):
  • 레지스터 접근: 수 피코초(ps) 수준
  • L1/L2 캐시: 수~수십 나노초(ns)
  • 메인 메모리(DRAM): 수십~수백 나노초(ns)
• 이유:
  • 레지스터는 CPU 코어 내부에 위치해 배선 길이가 짧고 클럭과 동속으로 동작
  • 메모리는 칩 바깥(또는 멀리) 있어 버스/컨트롤러/대역폭/대기시간(latency) 오버헤드가 큼
• 실무적 사실:
  • 동일 작업이라면 “레지스터/캐시에서 처리”가 “메모리 왕복”보다 훨씬 빠릅니다.
  • 반복적으로 메모리로 데이터를 읽고 쓰면 대기 시간이 누적되어 프로그램이 체감상 매우 느려집니다.
  • 그래서 CPU는 레지스터 -> 캐시 -> 메모리로 이어지는 계층적 메모리 구조를 사용하고, 컴파일러/프로그래머는 레지스터 재사용, 지역성(locality) 향상을 통해 메모리 왕복을 줄이려 합니다.

요약: 가능한 한 데이터를 레지스터/캐시에 머물게 하라. 빈번한 메모리 접근은 성능의 최대 병목입니다.

✅ 핵심 요약

• ALU는 연산을, 제어장치는 해석과 신호 생성을 담당한다.
• 플래그는 연산 결과의 상태를 표현하며 분기 판단에 활용된다.
• 레지스터 접근은 메모리보다 몇 배에서 수십 배 이상 빠르며, 메모리 왕복이 잦으면 전체 실행 속도가 크게 떨어진다.

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