마이크로프로세서란 무엇인가요?

CPU와 마찬가지로 마이크로프로세서는 일반적으로 컴퓨터의 '두뇌'로 간주됩니다. 기존 CPU와 달리 마이크로프로세서는 기존 CPU의 산술, 논리 및 제어 회로를 단일 다목적 클럭 구동 및 레지스터 기반 디지털 회로에 통합합니다.

CPU와 마이크로프로세서라는 용어는 종종 같은 의미로 사용되지만 마이크로프로세서는 본질적으로 단일 칩에 있는 올인원 CPU입니다. 이 단일 칩 설계는 취약한 전기 연결의 수를 줄이고 잠재적인 장애 지점을 줄여 신뢰성을 향상시킵니다. 따라서 마이크로프로세서는 기존의 다중 구성 요소 CPU를 거의 완전히 대체했습니다.

마이크로프로세서가 나오기 전에 컴퓨터는 컴퓨터의 주요 컴퓨팅 기능을 수행하기 위해 IC 랙을 사용했습니다. 1971년, 최초의 상용 마이크로프로세서인 Intel 4004가 출시되면서 컴퓨팅 기술에 큰 변화가 일어났습니다. Federico Faggin이 설계한 이 획기적인 장치는 단순히 일본 전자제품 제조업체인 Busicom의 계산기용 맞춤형 마이크로칩 12개 요청에 대한 솔루션이 아니었습니다. Intel이 12개의 개별 칩 대신 범용 로직 디바이스를 만들면서 컴퓨팅에 대한 사고 방식에 혁신을 가져왔습니다.

오늘날의 표준에 비해 성능이 부족한 인텔 4004의 아키텍처는 740kHz의 클럭 속도로 작동하며 '니블'이라고도 하는 최대 4비트의 데이터 스트림만 처리할 수 있었습니다. 4004는 최신 8비트~64비트 마이크로프로세서에 비해 성능이 떨어지지만, 일반적으로 회로 분야에서 획기적인 혁신으로 평가받고 있습니다. 무어의 법칙(Moore's law)에서 예측한 대로 급속한 반도체 기술 개발은 주요 처리 능력 향상으로 이어졌습니다. 마이크로프로세서는 지 TV 리모컨부터 국제 우주 정거장까지 수천 가지 시스템과 애플리케이션을 구동하며, Intel과 Pentium 등 주요 공급업체에서 제조됩니다. IBM, Microsoft, Apple과 같은 모든 주요 기술 회사에서도 사용합니다.

최신 마이크로프로세서는 반도체 소재에 조립된 수백만 개의 소형 트랜지스터, 저항 및 다이오드를 결합하여 CPU의 주요 구성 요소를 만듭니다. 이러한 구성 요소는 계산을 수행하고 명령을 실행하기 위해 다양한 유형의 고유한 컴퓨터 아키텍처로 배열됩니다. 일반적인 마이크로프로세서의 기능은 네 가지 주요 단계로 나눌 수 있습니다.

1. 가져오기(Fetch): 마이크로프로세서는 컴퓨터 메모리에서 명령어를 검색(또는 '가져오기')합니다. 가져오기 프로세스는 자동 또는 수동 입력으로 시작할 수 있습니다.
2. 디코딩: 마이크로프로세서는 명령을 '디코딩'하여 기본적으로 입력 또는 명령을 요청으로 해석하고 특정 프로세스 또는 계산을 실행합니다.
3. 실행(Execute): 간단히 말해서, 마이크로프로세서는 필요한 작업이나 요청 사항을 수행합니다.
4. 저장: 실행 결과가 컴퓨터의 메모리에 저장됩니다.

마이크로프로세서는 CPU의 주요 구성 요소를 단일 회로로 결합하여 이러한 프로세스를 완료할 수 있습니다. 마이크로프로세서의 주요 구성 요소는 다음과 같습니다.

• 산술 논리 장치(ALU): CPU의 주요 논리 장치인 이 구성 요소는 논리 연산을 포함하여 수학 계산과 데이터 비교를 수행합니다.
  
  
• 제어 장치(CU): CU 회로는 명령을 해석하고 실행을 시작하여 프로세서의 기본 작동을 지시합니다.
  
  
• 레지스터: 레지스터는 CPU가 계산 프로세스 중에 데이터와 명령어를 임시로 보관하는 데 사용하는 작고 빠른 메모리 저장소를 제공합니다.
  
  
• 캐시 메모리: 마이크로프로세서와 CPU는 CPU 가까이에 위치한 고속 형태의 메모리인 캐시 메모리를 사용하여 자주 액세스하는 데이터를 저장하고 성능을 가속화합니다.
  
  
• 버스 및 버스 인터페이스: 버스 인터페이스는 데이터가 주소 버스 또는 데이터 버스와 같은 다양한 와이어 그룹(버스라고 함)을 통해 이동할 수 있는 진입점과 출구점을 제공합니다. 버스와 인터페이스는 서로 다른 내부 구성 요소를 물리적으로 연결하여 CPU 및 입력/출력(I/O) 장치와 같은 기타 주변 장치 내에서 통신을 가능하게 하고 촉진합니다.
  
  
• 트랜지스터: IC의 주요 구성 요소 중 하나인 트랜지스터는 전류와 신호를 조절, 증폭 및 생성하는 소형 반도체입니다. 또한 이들은 단순한 스위치로 작동하거나 결합하여 로직 게이트를 형성할 수도 있습니다. 트랜지스터 수는 마이크로프로세서 전력을 나타내는 일반적인 지표입니다.
  
  
• 프로세서 코어: 마이크로프로세서 내의 개별 처리 장치를 코어라고 합니다. 최신 프로세서는 여러 코어(듀얼 코어, 쿼드 코어)를 통합하는 경우가 많아 여러 작업을 동시에 수행할 수 있도록 하여 병렬 처리를 가능하게 합니다.
  
  
• 클럭: 모든 마이크로프로세서에 내부 클럭이 포함되어 있는 것은 아니지만 모두 클럭 구동식입니다. 일부는 정확도가 향상된 것으로 알려진 외부 클럭 칩에 의존합니다. 내부 또는 외부에 관계없이 마이크로프로세서의 클럭 주기는 명령을 수행하는 빈도를 결정합니다. 최신 클럭 속도는 메가헤르츠(MHz) 및 기가헤르츠(GHz) 단위로 측정됩니다.

마이크로프로세서의 아키텍처는 프로세서의 다양한 CPU 구성 요소의 다양한 설계 및 구성 방법론을 나타냅니다. 마이크로프로세서의 주요 아키텍처 요소는 다음과 같습니다.

• 명령어 집합 아키텍처(ISA): 마이크로프로세서의 ISA는 프로세서가 수행할 수 있는 명령어 집합을 정의합니다. 축소 명령어 집합 컴퓨터(RISC) 및 복합 명령어 집합 컴퓨터(CISC) 아키텍처와 같은 ISA는 다양한 유형의 애플리케이션에 적합한 다양한 수준의 성능, 안정성 및 속도를 제공하는 다양한 데이터 처리 방법을 제공합니다.
  
  
• 데이터 경로: 마이크로프로세서의 데이터 경로는 데이터가 마이크로프로세서의 구성 요소(버스, ALU, 레지스터)를 통해 이동하는 순서를 결정하여 전체 성능에 영향을 미칩니다.
  
  
• 제어 경로: 데이터 경로와 유사하게 마이크로프로세서 아키텍처의 제어 경로 요소는 CPU 내에서 작업 순서를 지시하고 데이터 전송을 관리합니다.
  
  
• 메모리 계층 구조: 메모리 계층 구조는 프로세서 아키텍처의 중요한 구성 요소로, 다양한 수준의 메모리(캐시, 레지스터, RAM)를 위한 구조를 제공하여 효율적인 데이터 액세스 및 검색 속도를 최적화합니다.

마이크로프로세서는 전력, 성능, 아키텍처 방법론, 크기, 에너지 소비 및 기타 여러 변수에 따라 다양하며 모든 종류의 애플리케이션에 맞게 설계되었습니다. 범용 마이크로프로세서는 개인용 컴퓨터 및 모바일 장치에 일반적으로 사용되는 반면, 디지털 신호 프로세서(DSP)와 같은 특수 고성능 장치는 오디오, 음성, 비디오 및 이미지 처리와 같은 까다로운 작업을 위해 설계되었습니다.

다음은 마이크로프로세서의 몇 가지 주요 유형입니다.