산술 논리 연산 장치, ALU
ALU는 Arithmetic Logic Unit로 산술 논리 연산 장치를 의미한다. CPU 내부에서 연산을 실제로 수행하는, 뇌 속의 뇌, 뇌세포 같은 개념이다. 입력된 명령에 따라 덧셈, 뺄셈 등의 산술 연산이나 AND, OR 등의 논리 연산을 수행하고 결과를 출력한다.
ALU의 기능
ALU는 산술과 논리연산을 주로 한다고 언급했었다. ALU가 처리하는 주요 연산은 다음과 같다.
| 처리영역 | |
|---|---|
| 산술연산 | Add, Sub, Mul, Div |
| 논리연산 | AND, OR, NOT, XOR 등 Bit 연산 수행 |
| 시프트연산 | Bit를 왼쪽/오른쪽으로 밀어내는 연산 (Shift) |
| 비교연산 | 크기 비교 연산 (ge, le) |
| 상태 플래그 연산 | 연산 결과에 따라 Zero, Carry, Overflow, Sign 등 |
ALU의 작동 과정
ALU가 위와 같은 연산을 할 때 아래와 같이 작동을 한다.
- 레지스터에서 A와 B 값을 가져온다.
- 제어장치에서 필요 연산 신호를 ALU에 전달
- ALU는 해당 연산을 진행
- 결과는 다시 레지스터에 저장하고
- 결과가 0인지, 오버플로우가 났는지 결과 상태를 기록한다.
플래그 세우기
ALU의 작동 과정에 따르면 마지막 결과를 Validation을 진행하고, 그에 대한 상태 플래그를 연산한다. 상태 플래그는 플래그 레지스터에 저장이 된다.
| Flags | |
|---|---|
| Z (zero) | 결과가 0 |
| C (carry) | 자리 올림 발생 |
| O (overflow) | 숫자가 너무 커서 범위를 벗어남 |
| S (sign) | 결과가 음수 |
ALU의 신호?
ALU는 자체적으로 연산의 정의를 할 수 없다. 제어 장치가 직접 연산에 대한 신호를 주어야 하는데, 그 신호에 맞게 어떤 회로를 사용할지 결정하게 된다.
| 제어신호 | |
|---|---|
0000 | Add |
0001 | Sub |
0010 | AND |
0011 | OR |
ALU 연산 흐름을 요약해보자
ADD R1, R2, R3 명령어를 가정하면
-
제어 장치가 명령어를 해석한다 (Decode)
이것이 현재ADD명령어 인 것을 파악하고, 연산 종류에 해당하는 ALU control를 생성한다 -
R2, R3의 값이 레지스터에서 ALU로 입력이 된다.
A <- R2, B <- R3 -
제어 신호에 따라 ALU가 적절한 회로를 활성화 한다.
0000이면ADD회로가 선택됨 -
연산을 수행하고 결과를 생성한다.
A + B -> result -
result를 R1에 저장한다. (write back)
-
플래그 레지스터 업데이트를 진행한다.
정리하자면,
- ALU는 제어 신호에 따라 연산이 결정된다.
- 연산 결과 외에 조건 판단용 플래그가 항상 함께 나온다.
- 조건문, 반복문, 분기, 예외 처리 전무 ALU + 플래그 기반이다.
- 명령어와 ALU 연산은 1:1이 아니라 여러 조합으로 제어된다.
참고자료
※ 이 글은 『이것이 컴퓨터 과학이다』 책을 기반으로, 다양한 자료를 참고해 작성했습니다.
『Computer Organization and Design』 – David A. Patterson