[혼공컴운] 2주차 - CPU의 작동원리 및 성능 향상 기법

Chapter 4.
[ CPU의 작동 원리 ]

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4-1. ALU와 제어장치

• ALU
  • 계산기 역할을 수행하는 것
  • 제어장치로부터 제어신호를 받아들이고, 레지스터로부터 피연산자를 받아들인다.
  • 이후 이를 활용해 산술연산, 논리 연산 등의 연산을 수행한 후, 결과값을 내보낸다.
  • 결과값은 레지스터에 저장되는데, 이는 cpu가 메모리에 접근하는 속도보다 레지스터에 접근하는 속도가 빠르기 때문이다.
  • 또한, 플래그를 내보낸다. 플래그는 플래그 레지스터에 저장되며, 플래그의 종류에는 다음과 같은 것이 있다.

플래그 종류	의미
부호 플래그	연산한 결과의 부호를 나타냄
제로 플래그	연산 결과가 0인지 여부를 나타냄
캐리 플래그	연산 결과 올림수나 빌림수가 발생했는지를 나타냄
오버플로우 플래그	오버플로우가 발생했는지 나타냄
인터럽트 플래그	인터럽트가 가능한지를 나타냄.
슈퍼바이저 플래그	커널 모드로 실행 중인지, 사용자 모드로 실행 중인지를 나타냄

• 제어장치 (제어 신호를 내보내고, 명령어를 해석하는 부품.)
  • 제어장치는 클럭 신호를 받아들인다.
    • 클럭이란, 컴퓨터의 모든 부품을 일사불란하게 움직이게 하는 시간 단위
    • 컴퓨터의 모든 부품은 클럭 신호에 맞춰 작동한다. 
  • 제어장치는 '해석해야 할 명령어'를 받아들인다.
  • 제어장치는 플래그 레지스터 속 플래그 값을 받아들인다.
  • 제어장치는 시스템 버스, 그중에서 제어버스로 전달된 제어 신호를 받아들인다. 

4-2. 레지스터

• 반드시 알아야 할 레지스터
  • 프로그램 카운터
    • 메모리에서 가져올 명령어의 주소를 저장한다.
  • 명령어 레지스터
    • 메모리에서 읽어들인, 해석할 명령어를 저장한다. 해석한 뒤 제어신호를 보낸다.
  • 메모리 주소 레지스터
    • 메모리 주소를 저장하는 레지스터.
  • 메모리 버퍼 레지스터
    • 메모리와 주고받을 값을 저장하는 레지스터
  • 플래그 레지스터
    • 연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보를 저장하는 레지스터
  • 범용 레지스터
    • 다양하고 일반적인 상황에서 자유롭게 사용할 수 있는 레지스터
  • 스택 포인터
    • 스택의 꼭대기를 가리키는 레지스터(마지막으로 저장한 값)
• 특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식 1 : 스택 주소 지정 방식
  • 스택과 스택 포인터를 이용한 주소 지정 방식.
  • 스택은 메모리 안에 있으며, 스택처럼 사용할 영역이 지정되어 있는데 이를 스택 영역이라고 함.
• 특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식 2 : 변위 주소 지정 방식
  • 상대 주소 지정 방식
    • 오퍼랜드와 프로그램 카운터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식
  • 베이스 레지스터 주소 지정 방식
    • 오퍼랜드와 베이스 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식.
    • 즉 베이스 레지스터(= 기존 주소)에서 오퍼랜드(피연산자)만큼 떨어져 있는지를 연산.

4-3. 명령어 사이클과 인터럽트

• 명령어 사이클 (프로그램 속 명령어들이 실행되는 주기)
  • 인출 사이클
    • 메모리에 있는 명령어를 CPU로 가지고 오는 단계
  • 실행 사이클
    • CPU로 가져온 명령어를 실행하는 단계
• 인터럽트 (CPU의 작업을 방해하는 신호)
  • 동기 인터럽트 = EXCEPTION(예외)
    • CPU에 의해 발생하는 인터럽트
    • 프로그래밍상의 오류와 같은 예외적 상황에 마주쳤을 때 발생하는 인터럽트
  • 비동기 인터럽트
    • 주로 입출력장치에 의해 발생하는 인터럽트
    • 막을 수 있는 인터럽트
    • 막을 수 없는 인터럽트

 

Chapter 5.
[ CPU 성능 향상 기법 ]

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5-1. 빠른 CPU를 위한 설계 기법

• 클럭
  • 클럭 속도 = 1초에 클럭이 몇 번 반복되는지를 HZ로 측정한 것
  • intell i7 칩의 경우 기본 2.5GHz, 최대 4.9GHz이다.
• 코어와 멀티 코어
  • 지금까지 cpu라고 알고 있던 것(명령어를 실행하는 부품)이 코어이고, 이런 것 여러개를 가지고 있는 것을 cpu라고 총칭한다.
  • 이렇게 여러개의 코어를 가지고 있는 것, 즉 듀얼코어, 트리플 코어 등을 멀티 코어 프로세스라 말한다.
• 스레드와 멀티스레드
  • 스레드
    • 하드웨어적 스레드
      • 하나의 코어가 동시에 처리하는 명령어 단위
    • 소프트웨어적 스레드
      • 하나의 프로그램에서 독립적으로 실행되는 단위
      • 여러개의 스레드를 수십개 실행할 수 있다. -> 멀티 스레드
  • • 하나의 코어로 여러 개의 명령어를 동시에 실행할 수 있는 CPU
    • 인텔의 멀티스레드 기술은 하이퍼스레딩이라 한다.
    • 멀티스레드 프로세서
    • 책 저자분이 CPU를 확인하셨길래 내 컴터 확인해봤는데 8코어다.. 대박.. 나에겐 과분하군.. 오호라...

 

5-2. 명령어 병렬 처리 기법

• 명령어 파이프 라인
  • 명령어 처리 과정 
    • 명령어 인출
    • 명령어 해석
    • 명령어 실행
    • 결과 저장
  • 명령어 파이프라이닝 : CPU는 같은 단계가 겹치지만 않는다면 각 단계를 동시에 실행할 수 있다. 
  • 명령어 파이프 라인 위험
    • 데이터 위험
      • 명령어 간 데이터 의존성에 의해 발생.
      • 이전 명령어를 끝까지 실행해야만 비로소 실행할 수 있다.
    • 제어위험
      • 분기 등으로 인한 '프로그램 카운터의 갑작스러운 변화'에 의해 발생한다.
      • 프로그램 카운터는 현재 실행 중인 명령어의 다음 주소로 갱신되는데, 실행 흐름 변경으로 명령어가 실행되어 프로그램 카운터 값에 갑자기 변화가 생기면 처리 중인 명령어가 쓸모 없어짐.
    • 구조적 위험
      • 명령어들을 겹쳐 실행하는 과정에서 서로 다른 명령어가 동시에 ALU, 레지스터 등과 같은 CPU 부품을 사용하려고 할 때 발생.
• 슈퍼스칼라
  • CPU 내부에 여러 개의 명령어 파이프라인을 포함한 구조, 즉 공장 생산 라인이 여러개인 거임. 
  • 멀티스레드 프로세서는 이러한 슈퍼스칼라 구조를 사용할 수 있음.
• 비순차적 명령어 처리(OoOE)
  • 명령어들을 순차적으로 실행하지 않는 기법(합법적 새치기)
  • 데이터 의존성이 없어 먼저 실행해도 되는 애들을 먼저 실행하는 거. 
  • +산경에서 배운 생산운영관리랑 비슷해... 효율을 내는 방법이란 사실 다 비슷한 원리인 것인가..?!

5-3. CISC와 RISC

• 명령어 집합(ISA)
  • CPU의 언어이자 하드웨어가 소프트웨어를 어떻게 이해할지에 대한 약속
  • + 이래서 ios와 android 앱 개발이 다를 수 밖에 없구나... 난 애플이 좋은데...
• CISC
  • 복잡하고 다양한 종류의 가변 길이 명령어 집합을 활용함
  • 명령어가 규격화되지 않아 파이프라이닝을 어렵게 함. 
• RISC
  • 단순하고 적은 종류의 고정 길이 명령어 집합을 활용함.
  • 이 명령어 집한은 명령어 파이프라이닝에 최적화되어 있음.

숙제

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1. p.125 확인문제 2번

플래그 레지스터
명령어 레지스터
범용 레지스터
프로그램 카운터

2. p.155 확인문제 4번

코어