중앙처리장치

[ 중앙처리장치 ]

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CPU는 컴퓨터의 두뇌 역할을 하는 핵심 부품이다.

연산, 명령어 해석, 제어 신호 전달 등 모든 작업의 중심이며, 프로그램을 실제로 실행하는 장치다.

1. CPU의 구성 요소

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CPU는 내부적으로 다음과 같은 주요 구성 요소로 이루어져 있다.

1.1. ALU ^{(Arithmetic Logic Unit)}

ALU는 산술 연산(+, −, ×, ÷)과 논리 연산(AND, OR 등)을 수행하는 장치다.

CPU 내에서 실질적인 계산 작업을 담당한다.

1.2. CU ^{(Control Unit)}

CU는 명령어 해석 및 제어 신호를 생성하여 CPU와 메모리, 입출력 장치의 동작을 제어한다.

CPU의 지휘자 역할을 한다.

1.3. 레지스터 ^(Register)

레지스터는 CPU 내부에 있는 고속 임시 저장 장치다.

명령어, 데이터, 주소 등을 일시적으로 저장하며 연산 속도를 높여준다.

2. CPU 성능을 결정하는 요소

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2.1. 클럭 속도 ^{(Clock Speed)}

클럭 속도는 CPU가 1초에 처리할 수 있는 명령의 수를 나타낸다.

일반적으로 GHz(기가헤르츠) 단위로 표현되며, 클럭이 높을수록 연산 속도가 빠르다.

2.2. 코어와 스레드

멀티코어는 하나의 CPU에 여러 연산 장치를 넣어 동시에 여러 작업을 처리할 수 있게 한다.

스레드는 코어 내의 작업 단위이며, 멀티스레딩은 작업 병렬처리를 가능하게 한다.

2.3. 캐시 메모리

캐시는 CPU와 메인 메모리(RAM) 사이의 속도 차이를 줄이기 위한 고속 메모리다.

L1, L2, L3로 구분되며, 용량이 작고 속도는 매우 빠르다.

📊 캐시 메모리 계층 비교

계층	위치	속도	용량	특징
L1	CPU 내부	가장 빠름	가장 작음	각 코어마다 독립적으로 존재
L2	CPU 내부/외부	빠름	중간	코어마다 또는 공유로 구성됨
L3	CPU 외부 또는 공유	느림	가장 큼	여러 코어가 함께 사용함

3. 명령어 처리 과정 (명령 사이클)

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CPU는 아래의 순서로 명령어를 처리한다.

이를 명령어 사이클(Instruction Cycle)이라고 한다.

📌 1. 인출(Fetch)

• RAM에서 명령어를 가져온다.

📌 2. 해독(Decode)

• 명령어를 해석하여 수행할 작업을 결정한다.

📌 3. 실행(Execute)

• ALU에서 연산을 수행하거나 메모리 접근 등 동작을 실행한다.

📌 4. 저장(Store)

• 결과를 레지스터 또는 메모리에 저장한다.

4. CPU 기반 확장 개념: MPU와 MCU

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4.1. MPU ^{(Microprocessor Unit)}

MPU는 CPU 코어만을 독립적으로 제공하는 칩이다.

주변 장치는 외부에 연결해야 하며, 고성능 시스템(PC, 스마트폰 등)에 사용된다.

• 구성: CPU + 외부 메모리/입출력 연결
• 특징: 고속 처리, 복잡한 운영체제 탑재 가능
• 예시: Intel i5, AMD Ryzen, ARM Cortex-A 등

4.2. MCU ^{(Microcontroller Unit)}

MCU는 CPU 코어와 메모리, 입출력 장치를 하나의 칩에 통합한 장치다.

저전력, 저비용으로 임베디드 시스템에 적합하다.

• 구성: CPU + RAM + ROM + I/O + 타이머 등
• 특징: 실시간 처리, 저전력 설계, 간단한 제어용
• 예시: Arduino, ATmega328, STM32, ESP32 등

📊 MPU vs MCU 비교표

구분	MPU	MCU
구성	CPU만 존재, 외부 메모리와 연결 필요	CPU + RAM + ROM + I/O 일체형
성능	고성능, 복잡한 연산 가능	저전력, 단순 제어에 적합
사용 분야	PC, 스마트폰, 태블릿	센서, 가전, 드론, IoT, 임베디드 시스템
전력 소비	높음	매우 낮음
비용	상대적으로 고가	저렴함