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CPU란 

CPU(중앙 처리 장치)는 서버의 두뇌와 같습니다. 서버가 애플리케이션
을 실행하고 데이터를 관리할 수 있도록 계산을 수행하고 명령을 처리한다.

CPU의 기본적인 구성요소

  • 코어:
    최신 CPU에는 여러 개의 코어가 있습니다. 각 코어는 별도의 작업을
    동시에 수행할 수 있어 CPU 효율성이 향상된다. 각 코어를 대규모 사무실의
    개별 작업자로 생각하면 된다.

  • 스레드:
    스레드는 각 코어가 처리할 수 있는 더 작은 작업 단위이다. 하이퍼스레딩과 같은
    기술을 사용하면 각 코어는 작업자가 멀티태스킹하는 것처럼 한 번에 여러 스레드를
    처리할 수 있다.
  • 캐시:
    CPU 내부에 있는 매우 빠른 소량의 메모리이다. 자주 사용하는 데이터와 명령을 저장하여
    CPU가 신속하게 액세스 할 수 있도록 한다. 다양한 레벨(L1, L2, L3)이 있으며 L1이 가장
    빠르지만 가장 작다.

CPU가 정보를 처리하는 방법

  1. 가져오기: CPU가 서버의 RAM(주 메모리)에서 명령을 가져온다.
  2. 디코딩: 어떤 작업이 필요한지 이해하기 위해 이러한 지침을 디코딩한다.
  3. 실행: CPU는 계산이나 데이터 이동 등의 작업을 수행한다.
  4. 저장: 나중에 사용할 수 있도록 결과를 RAM이나 캐시에 다시 기록한다.

 

서버 CPU가 작동하는 전체 과정을 상세히 설명하겠다.

CPU가 작동하는 과정은 주로 다음과 같은 단계를 거친다:
명령어 가져오기(Fetch), 명령어 해독(Decode), 명령어 실행(Execute), 결과 저장(Store).
이 과정들을 차례로 설명하겠다

1. 명령어 가져오기 (Fetch)

CPU의 첫 번째 단계는 메모리에서 실행할 명령어를 가져오는 것입니다. 이 과정은 다음과 같이
진행됩니다:

  • 프로그램 카운터 (Program Counter, PC): CPU는 프로그램 카운터라는 레지스터를 사용하여 다음에 실행할 명령어의 메모리 주소를 추적합니다.
  • 메모리 접근: 프로그램 카운터가 가리키는 메모리 주소로부터 명령어를 가져옵니다. 이 명령어는 보통 RAM에 저장되어 있습니다.
  • 명령어 레지스터 (Instruction Register, IR): 가져온 명령어는 명령어 레지스터에 저장됩니다.
  • 프로그램 카운터 증가: 다음 명령어를 위해 프로그램 카운터의 값이 증가합니다.

2. 명령어 해독 (Decode)

가져온 명령어를 해독하는 단계입니다. 이 과정에서 CPU는 명령어가 무엇을 의미하는지 파악합니다.

  • 명령어 분해: 명령어 레지스터에 저장된 명령어는 다양한 부분으로 나뉩니다. 예를 들어, 연산 코드(OpCode), 소스 레지스터, 목적지 레지스터, 즉시 값 등이 있습니다.
  • 연산 코드 해독: 연산 코드가 무엇을 해야 하는지 결정합니다. 이는 산술 연산, 논리 연산, 데이터 이동 등 다양한 작업일 수 있습니다.
  • 레지스터 접근: 필요에 따라, 명령어에 명시된 소스 레지스터와 목적지 레지스터를 참조합니다.

3. 명령어 실행 (Execute)

해독된 명령어를 실제로 실행하는 단계입니다. 이 단계에서는 다양한 하드웨어 컴포넌트가 동원됩니다.

  • 산술 논리 연산 장치 (Arithmetic Logic Unit, ALU): 대부분의 연산은 ALU에서 수행됩니다. 산술 연산(덧셈, 뺄셈 등)과 논리 연산(AND, OR 등)이 여기서 이루어집니다.
  • 주소 계산: 메모리에서 데이터를 가져오거나 저장해야 하는 경우, 필요한 주소 계산이 이루어집니다.
  • 명령어에 따른 작업 수행: 명령어가 지시한 작업이 실제로 수행됩니다. 이는 데이터의 이동, 연산 결과 저장, 분기 명령어 실행 등이 될 수 있습니다.

4. 결과 저장 (Store)

실행된 명령어의 결과를 저장하는 단계입니다.

  • 레지스터에 저장: 연산 결과가 레지스터에 저장될 수 있습니다. 이는 나중에 다른 명령어에서 참조될 수 있습니다.
  • 메모리에 저장: 경우에 따라, 연산 결과가 메모리에 저장될 수도 있습니다. 이는 특히 데이터 이동 명령어에서 중요합니다.
  • 플래그 갱신: 조건부 명령어의 경우, 상태 플래그가 갱신됩니다. 예를 들어, 결과가 0인지, 음수인지 등을 나타내는 플래그입니다.

5. 반복

위의 과정을 반복하여, 프로그램 내의 모든 명령어가 처리될 때까지 CPU는 계속해서 명령어를 가져오고, 해독하고, 실행하고, 결과를 저장합니다. 이 반복적인 과정은 매우 빠르게 이루어지며, 현대 CPU는 초당 수십억 개의 명령어를 처리할 수 있습니다.

추가 요소

  • 파이프라인 (Pipeline): 많은 CPU는 명령어 처리 속도를 높이기 위해 파이프라인 구조를 사용합니다. 이는 여러 명령어가 겹쳐서 처리될 수 있게 합니다.

결론

서버 CPU의 작동 과정은 명령어를 가져오고(Fetch), 해독하고(Decode), 실행하고(Execute), 결과를 저장(Store)하는 일련의 단계를 거칩니다. 이 과정은 매우 빠르게 반복되며, 현대의 CPU는 이를 효율적으로 처리하기 위해 다양한 기술을 사용합니다. 파이프라인, 캐시, 브랜치 예측, 명령어 병렬 처리 등이 이러한 기술에 해당합니다. 각 단계는 CPU가 프로그램을 실행하는 데 필수적인 역할을 하며, 이를 통해 서버는 복잡한 작업을 빠르고 정확하게 수행할 수 있습니다.

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