[혼공컴운] Week2. CPU

혼공학습단 13기 "혼자 공부하는 컴퓨터구조 + 운영체제"

 

✳︎  CPU의 작동 원리

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✦   ALU와 제어장치

  ◦    ALU

    -   CPU 내부 장치 중 계산을 담당하는 장치

    -   ALU가 받아들이는 정보 : 피연산자(레지스터), 제어 신호(제어장치)

    -   ALU가 내보내는 정보 : 연산 결과, 플래그(연산 결과에 대한 추가적인 상태 정보)

    -   연산 결과는 명령어 레지스터에 플래그는 플래그 레지스터에 저장됨

  ◦    제어장치

    -   제어 신호를 내보내고 명령어를 해석하는 부품

    -   제어 신호는 컴퓨터 부품을 관리하고 작동시키는 일종의 전기 신호

    -   제어장치가 받아들이는 정보 : 클럭 신호, 해석해야 할 명령어, 플래그 값, 제어 버스로 전달된 제어 신호

 

 

✳︎  레지스터

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✦   반드시 알아야 할 레지스터

    -   프로그램 카운터 : 메모리에서 읽어 들일 명령어의 주소를 저장

    -   명령어 레지스터 : 메모리에서 읽어 들인 명령어를 저장

    -   메모리 주소 레지스터 : 메모리의 주소를 저장

    -   메모리 버퍼 레지스터 : 메모리와 주고받을 값(데이터와 명령어)을 저장

    -   범용 레지스터 : 데이터와 주소 모두 저장 가능한 레지스터

    -   플래그 레지스터 : 연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보인 플래그를 저장

✦   특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식

  ◦    스택 주소 지정 방식

    -   스택과 스택 포인터를 이용한 주소 지정 방식

    -   스택 포인터 : 스택의 꼭대기를 가리키는 레지스터, 스택에 마지막으로 저장된 값의 위치를 저장

    -   스택 영역 : 메모리 안에 스택처럼 사용할 영역

  ◦    변위 주소 지정 방식

    -   오퍼랜드 필드의 값(변위)과 특정 레지스터 값을 터해 유효 주소를 얻어내는 주소 지정 방식

    -   상대 주소 지정 방식 : 오퍼랜드와 프로그램 카운터 값을 더해 유효 주소를 얻는 방식

    -   베이스 레지스터 주소 지정 방식 : 오퍼랜드와 베이스 레지스터 값을 더해 유효 주소를 얻는 방식

 

 

✱  명령어 사이클과 인터럽트

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✦   명령어 사이클

    -   프로그램 속 각각의 명령어들이 반복되며 실행되는 주기

    -   인출 사이클 : 메모리에 있는 명령어를 CPU로 가지고 오는 단계

    -   실행 사이클 : CPU로 가져온 명령어를 실행하는 단계

    -   간접 사이클 : 메모리 접근이 한 번 더 필요한 경우 실행되는 단계

✦   인터럽트

  ◦    인터럽트와 종류

    -   CPU 작업을 방해하는 신호

    -   동기 인터럽트(=예외) : CPU에 의해 발생하는 인터럽트, CPU가 실행하는 프로그래밍 상의 오류 등

    -   비동기 인터럽트(=하드웨어 인터럽트) : 입출력장치에 의해 발생하는 인터럽트

  ◦    하드웨어 인터럽트

    -   알림과 같은 인터럽트, 입출력 작업 도중 CPU로 하여금 효율적으로 명령어를 처리하기 위해 사용됨

    -   인터럽트 요청 신호 : CPU의 작업을 방해하는 인터럽트에 대한 요청

    -   인터럽트 플래그 : 인터럽트 요청 신호를 받아들일지 무시할지 결정하는 비트

    -   인터럽트 벡터 : 인터럽트 서비스 루틴의 시작 주소를 포함하는 인터럽트 서비스 루틴의 식별 정보

    -   인터럽트 서비스 루틴 : 인터럽트를 처리하는 프로그램

  ◦    하드웨어 인터럽트 처리 순서

    1.  입출력장치는 CPU에 인터럽트 요청 신호를 전송

    2.  CPU는 실행 사이클이 끝나고 명령어를 인출하기 전 인터럽트 여부를 확인

    3.  CPU는 인터럽트 요청을 확인하고 인터럽트 플래그를 통해 현재 인터럽트를 받아들일 수 있는지 확인

    4.  인터럽트를 받아들일 수 있다면 CPU는 지금까지의 작업을 백업

    5.  CPU는 인터럽트 벡터를 참조해 인터럽트 서비스 루틴을 실행

    6.  인터럽트 서비스 루틴이 끝나면 백업해 둔 작업을 복구해 실행을 재개

 

 

✳︎  빠른 CPU를 위한 설계 기법

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✦   클럭

  ◦    클럭 속도

    -   헤르츠(Hz) 단위로 측정, 1초에 클럭이 몇 번 반복되는지를 측정, CPU의 속도 단위

    -   클럭 속도가 높은 CPU는 일반적으로 성능이 좋지만, 클럭 속도와 성능이 비례하다는 것은 아님

    -   클럭 속도를 무작정 높이면 발열 등의 문제 발생

✦   코어와 스레드 (미션)

    -   코어 : 명령어를 실행할 수 있는 '하드웨어 부품'

    -   스레드 : 명령어를 실행하는 단위

    -   멀티코어 프로세서 : 명령어를 실행할 수 있는 하드웨어 부품이 CPU 안에 두 개 이상 있는 CPU

    -   멀티스레드 프로세서 : 하나의 코어로 여러 개의 명령어를 동시에 실행할 수 있는 CPU

 

 

✳︎  명령어 병렬 처리 기법

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✦   명령어 파이프라인

    -   명령어 파이프라이닝 : 명령어들을 명령어 파이프라인에 넣고 동시에 처리하는 기법

    -   CPU는 명령어를 '인출'하는 동안 다른 명령어를 '실행'할 수 있고, 동시에 연산 결과를 '저장' 할 수 있음

  ◦    파이프라인 위험

    -   데이터 위험 : 명령어 간 '데이터 의존성'에 의해 발생

    -   제어 위험 : '프로그램 카운터의 갑작스러운 변화'에 의해 발생

    -   구조적 위험 : 서로 다른 명령어가 동시에 ALU, 레지스터 등과 같은 CPU 부품을 사용하려 할 때 발생

✦   슈퍼스칼라

    -   CPU 내부에 여러 개의 명령어 파이프라인을 포함하는 구조

    -   슈퍼스칼라 프로세서 : 슈퍼스칼라 구조로 명령어 처리가 가능한 CPU

    -   슈퍼스칼라 프로세서는 매 클럭 주기마다 동시에 여러 명령어를 인출과 실행이 가능

✦   비순차적 명령어 처리

    -   명령어를 순차적으로 실행하지 않고 순서를 바꿔 실행하는 기법

    -   순서를 바꿔 실행하도 무방한 명령어를 먼저 실행해 명령어 파이프라인이 멈추는 것을 방지

 

 

✳︎  CISC와 RISC

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✦   명령어 집합 (ISA)

    -   CPU가 이해할 수 있는 명령어들의 모음

    -   ISA가 다르면 CPU가 이해할 수 있는 명령어, 어셈블리어가 달라짐

    -   즉, ISA는 CPU 언어임과 동시에 CPU를 비롯한 하드웨어가 소프트웨어를 어떻게 이해할지에 대한 약속

✦   CISC

    -   Complex Instruction Set Computer

    -   복잡하고 다양한 명령어들을 활용하는 CPU 설계 방식

    -   명령어 형태와 크기가 다양한 가변 길이 명령어 활용

    -   다양한 메모리 주소 접근 방식 사용

    -   여러 클럭에 걸쳐 명령어 수행

    -   명령어의 규격화가 어려워 파이프라이닝이 어려움

✦   RISC

    -   Reduced Instruction Set Computer

    -   단순하고 적은 명령어들을 활용하는 CPU 설계 방식

    -   명령어 형태와 크기가 규격화된 고정 길이 명령어 활용

    -   적은 메모리 주소 접근 방식 사용

    -   1 클럭 내외로 명령어 수행

    -   명령어가 규격화 되어 있어 파이프라이닝이 쉬움

 

 

✳︎  미션

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✦   125p. 레지스터

    -   (  플래그 레지스터  ) : 연산 결과 혹은 CPU 상태에 대한 부가 정보를 저장하는 레지스터

    -   (  프로그램 카운터  ) : 메모리에서 가져올 명령어의 주소를 저장하는 레지스터

    -   (  범용 레지스터  ) : 데이터와 주소를 모두 저장할 수 있는 레지스터

    -   (  명령어 레지스터  ) : 해석할 명령어를 저장하는 레지스터

✦   155p. 멀티코어 CPU

    -   (  core  )