CPU

CPU의 동작방법을 알아보자.

최호성님의 유튜브 강의를 보며 기본적인 컴퓨터 구조를 이해하고 정리하자.

디지털 회로

기본적으로 연산을 수행하도록 가능하게 하는 것은 이 디지털 회로가 있기 때문이다. 이 디지털 회로는 반도체의 특징을 이용하면 가능하다. 반도체는 조건에 따라 도체가 될 수도, 부도체가 될 수도 있다. 이 성격을 이용하여 우리는 연산을 가능하게 만들 수 있다.

연산 방법

CPU의 핵심 기능인 연산은 어떻게 구현할까?

가산기

2진수를 더하는 방법에 대한 방법이다.

기본적으로 우리가 덧셈을 한다고 생각해보자. 그렇다면 우리가 덧셈을 하기 위해서 필요한 파라미터는 3개이다. 각 자리에 표현되는 a, b, 그리고 그 두 수를 더했을 때 자리올림이 발생하는지를 판단해줄 c이다.

$$\begin{gathered} ;;;;;;1 \\ ;;;;0010 \\ +0011 \\ ;;;;0101 \end{gathered}$$

3개의 input의 결과로 자리올림을 나타내는 변수, 더한 뒤 값을 나타내는 변수 이렇게 두개의 값을 뽑아낸다. 위의 4자리 2진수의 덧셈을 수행하기 위해서는 전가산기 4개가 필요하며, 각 연산을 수행한 결과는 다음 자리수의 input으로 들어가게 된다. $C_0$는 0이다.

뺄셈은..?

컴퓨터는 덧셈으로 끝난다.

뺄셈은 보수의 덧셈 후 자리버림을 통해 구현이 가능하다.

일반 뺄셈

$$3-2=1$$

보수 덧셈 후 자리버림

$$3+8=11=>1$$

2진수에서 보수는 $0^c=1$, $1^c=0$ 이다. 그런데 신기하게도 이 보수는 NOT연산으로 구현이 가능하다.

보수란

보수는 해당 숫자를 진법의 숫자에서 뺀 것을 말한다. 예를 들어 2의 보수는 $10-2=8$이다.

곱셈은..?

곱셈은 더하기의 연속적인 과정이다.

계속해서 더하면 곱셈구현이 가능하다. 혹은 비트 연산 중 왼쪽 shift를 사용하면 가능하다.

나눗셈은?

나눗셈은 뺄셈의 연속적 과정에서 나오는 결과이다.

$$10/3=3$$ $$\begin{gathered} 10-3=7 \\ 7-3=4 \\ 4-3=1 \end{gathered}$$

세번 수행했고, 뺄셈이 불가능할 경우에 정지하면 몫과 나머지를 구할 수 있다.

혹은 오른쪽 shifting을 하면 가능하다.

0으로 나누기

이런 방법이기 때문에 0으로 나누는 경우 무한루프에 진입할 수 밖에 없다. 따라서 CPU가 과열되서 터진다… 펑!

결론

CPU는 연산이 핵심이다. 그리고 그 연산은 더하기만으로 구현이 가능하다.