혼공 컴운 - 2주차 정리

4장. CPU 작동원리

 

4-1. ALU와 제어장치

ALU
- CPU 내부의 계산을 담당
- 레지스터를 통해 피연산자를 받아들임
- 수행할 연산을 알려주는 제어신호 역할


플래그 종류와 의미

종류	의미	예시
부호 플래그	연산의 결과를 부호로 표시	1: 음수 / 0: 양수
제로 플래그	연산 결과가 0인지 여부표시	1: 0의 결과 / 0: 0이 아님
캐리 플래그	연산 결과 올림수나 빌림수 발생여부 확인	1: 발생했음 / 0: 발생 안했음
오버플로우 플래그	오버플로우 발생여부 표시	1: 발생했음 / 0: 발생 안했음
인터럽트 플래그	인터럽트 가능여부 확인	1: 가능 / 0: 불가능
슈퍼바이저 플래그	커널모드 / 사용자 모드 확인	1: 커널 모드 / 0: 사용자 모드

제어장치
- 신호를 내보내고,명령어를 해석하는 부품
- 클럭신호를 받아들이는 역할
- 해석할 명령어를 받아들임
- 레지스터 속 플래그 값을 받아들임
- 시스템 버스로부터 제어신호를 받아들임.

4-2. 레지스터

 

반드시 알아야 할 레지스터

- 프로그램 카운터
: 메모리에서 가져올 명령어의 주소

- 명령어 레지스터
: 금방 메모리에서 읽어 들인 명령어를 저장하며, 제어신호를 내보냄

- 메모리 주소 레지스터
: 메모리 주소를 저장하며, 주소 버스로 보낼 때 거침

- 메모리 버퍼 레지스터
: 메모리와 주고받을 값을 저장하며, 데이터 버스를 거침

- 범용 레지스터
: 다양한 상황에서 자유롭게 사용가능하며, 데이터와 주소를 모두 저장

- 플래그 레지스터
: ALU 연산 결과 or CPU 상태의 부가 정보를 저장

[기본 미션]
p.125 확인문제 2번
(1) 플래그 레지스터 : 연산 결과 혹은 CPU 상태에 대한 부가 정보를 저장하는 레지스터
(2) 프로그램 카운터 : 메모리에서 가져올 명령어의 주소를 저장하는 레지스터
(3) 범용 레지스터 : 데이터와 주소를 모두 저장할 수 있는 레지스터
(4) 명령어 레지스터 : 해석할 명령어를 저장하는 레지스터

4-3. 명령어 사이클과 인터럽트

 

명령어 사이클

: CPU 내에서 각각의 명령어들이 일정한 주기로 반복되어 실행

인출 사이클 (Fetch Cycle)
: 메모리에 있는 명령어를 CPU로 가져옴

실행 사이클 (Execute Cycle)
: CPU로 가져온 명령어를 실행

간접 사이클(Indirect Cycle)
: 간접 주소지정 방식으로 메모리 접근이 한 번 더 필요

인터럽트

: CPU의 작업을 방해하는 신호

종류는 크게 '동기 인터럽트', '비동기 인터럽트'로 나뉜다.

- 동기 인터럽트 (synchronous interrupt)
CPU에 의해 발생하며 실행하는 프로그램 상의 오류와 같은 예외적인 상황에 마주쳤을 때 발생 (예외)

- 비동기 인터럽트 (asynchronous interrupt)
주로 입출력 장치에 의해 발생하는 인터럽트 (하드웨어 인터럽트)

하드웨어 인터럽트 처리 순서

1. 입출력장치는 CPU에 인터럽트 요청 신호를 보냅니다.
2. CPU는 실행 사이클이 끝나고 명령어를 인출하기 전 항상 인터럽트 여부를 확인합니다.
3. CPU는 인터럽트 요청을 확인하고 플래그 레지스터의 인터럽트 플래그를 통해 현재 인터럽트를 받아들일 수 있는지 여부를 확인합니다.
4. 인터럽트를 받아들일 수 있다면 CPU는 지금까지의 작업을 백업합니다.
5. CPU는 인터럽트 벡터를 참조하여 인터럽트 서비스 루틴을 실행합니다.
6. 인터럽트 서비스 루틴 실행이 끝나면 ④에서 백업해 둔 작업을 복구하여 실행을 재개합니다

- 인터럽트 서비스 루틴
: 인터럽트를 처리하기 위한 프로그램
: 각 인터럽트별로 처리 메뉴얼이 다름.
: 하나의 메모리에 여러 개의 서비스 루틴 존재

- 인터럽트 벡터
: 인터럽트 서비스 루틴을 식별하기 위한 정보
: 데이터 버스를 통해 전달 받음.
: 서비스 루틴의 시작 주소를 알아낼 수 있음

- 예외의 종류
폴트(fault): 예외를 처리한 직후 예외가 발생한 명령어부터 실행을 재개하는 예외
트랩(trap): 예외를 처리한 직후 예외가 발생한 명령어의 다음 명령어부터 실행을 재개하는 예외 (디버깅 시)
중단(abort): 치명적인 오류가 발생하면 강제 중단.
소프트웨어 인터럽트(software interrupt): 시스템 호출이 발생했을 때 예외상황

 

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5장. CPU 성능 향상 기법

5-1. 빠른 CPU 설계

클럭

컴퓨터 부품들은 클럭 신호에 맞춰서 움직임.
CPU는 명령어 사이클이라는 정해진 흐름에 맞춰 명령어들을 실행한다.
클럭 속도(Hz)만으로 CPU의 성능을 올리는 것에는 한계가 있음.

코어와 멀티코어

CPU 내에 명령어를 처리하는 여러 개가 존재.
코어마다 처리할 연산의 적절한 분배가 필요.(연산 속도는 코어 수에 비례하지 않음)
중요한 것은 코어마다 처리할 명령어를 얼마나 적절하게 배분하느냐에 따라 연산속도 차이가 발생.

스레드와 멀티스레드

하드웨어적 스레드
: 하나의 코어가 동시에 처리하는 명령어 단위

소프트웨어적 스레드
: 하나의 프로그램에서 독립적으로 실행하는 단위

멀티스레드 프로세서
하나의 명령어를 처리하기 위해 꼭 필요한 레지스터를 여러 개 가지고 있으면 됩니다.
프로그램 입장에서 봤을 때 한 번에 하나의 명령어를 처리하는 CPU가 여러 개 있는 것처럼 보이기에 하드웨어 스레드를 논리 프로세서라고 부르기도 합니다.

[기본 미션]
p.155 4번 문제

 

5-2. 명령어 병렬 처리 기법

명령어 파이프라인

하나의 명령어가 처리되는 전체 과정을 클럭 단위로 나누어 보면, 4가지 단계로 구분할 수 있다.
겹치지 않는 조건 하에, CPU는 각 단계를 동시에 실행할 수 있습니다.

1. 명령어 인출
2. 명령어 해석
3. 명령어 실행
4. 결과 저장

명령어들을 명령어 파이프라인에 넣고 동시에 처리하는 기법을 명령어 파이프라이닝이라고 한다.
특정 상황에서 성능 향상에 실패하는 경우도 있는데, 이러한 상황을 파이프라인 위험이라고 부릅니다.

데이터 위험(data hazard)

명령어 간 ‘데이터 의존성’에 의해 발생
어떤 명령어는 이전 명령어를 끝까지 실행해야만 비로소 실행할 수 있는 경우가 있습니다.

제어 위험(control hazard)

주로 분기 등으로 인한 ‘프로그램 카운터의 갑작스러운 변화’에 의해 발생
참고 이를 해결하기 위해 사용하는 기술 중 하나가 분기 예측입니다.

구조적 위험(structural hazard)

슈퍼 스칼라

오늘날의 CPU에서는 여러 개의 파이프라인을 이용하는데, 이러한 구조를 슈퍼 스칼라라고 합니다.
슈퍼스칼라 구조로 명령어 처리가 가능한 CPU를 '슈퍼스칼라 프로세서' or '슈퍼스칼라 CPU' 라고 부른다.

비순차적 명령어 처리 (Out-of-order execution: OoOE)

파이프라인의 중단을 방지하기 위해 명령어를 순차적으로 처리하지 않고, 순서를 바꿔도 무방한 명령어를 먼저 실행하여 명령어 파이프라인이 멈추는 것을 방지

5-3.CISC와 RISC

명령어 집합 (Instruction set)

CPU가 이해할 수 있는 명령어들의 모음을 명령어 집합 또는 명령어 집합 구조 (instruction set architecture: ISA)라고 합니다.

- CISC (Complex instruction set computer)

장점: CISC 명령어 집합은 복잡하고 다양한 기능을 제공하기 때문에 적은 수의 명령으로 프로그램을 동작시키고 메모리를 절약할 수 있습니다.
단점: 반면에, 명령어의 크기 (가변 길이 명령어)와 실행에 필요한 클럭 주기가 각양각색이라 파이프라이닝이 어렵습니다. 그리고 대다수의 복잡한 명령어는 사용 빈도가 낮습니다.

- RISC (Reduced instruction set computer)

CISC의 단점을 극복하고자, 명령어의 길이와 수행 시간이 짧고 규격화된 (고정 길이 명령어) 명령어 세트를 구성하고, 자주 쓰이는 기본적인 명령어를 작고 빠르게 만들자!

[선택 미션]
코어와 스레드, 멀티 코어와 멀티 스레드 개념 정리

* 코어 : 명렁어를 실행하는 부품 (CPU)
* 스레드 : 실행 흐름의 단위
- 하드웨어 스레드 (하나의 코어가 동시에 처리하는 명령어 단위)
- 소프트웨어 스레드 (하나의 프로그램에서 독립적으로 실행하는 단위)

* 멀티코어 : 코어를 여러 개 포함하는 CPU
* 멀티 스레드 : 하나의 코어로 여러 개의 스레드를 처리하는 CPU