중앙 처리 장치(CPU)와 저장 장치

Rosevillage·2023년 3월 27일

CPU

컴퓨터 시스템을 통제하고, 소프트웨어 프로그램의 연산을 처리하는 핵심 제어장치로 크게 3가지 요소로 구성되어 있다.

산술/논리 연산장치(ALU)
덧샘, 뺄샘 등의 산술연산과 배타적 논리합, 논리합, 논리곱 등의 논리연산을 계산하는 디지털 회로
레지스터
CPU내부 임시 저장 공간으로, 연산에 필요한 데이터를 임시로 저장한다.
- 범용 레지스터(General-Purpose) : 주로 산술/논리 연산장치에 사용되는 레지스터
- 전용 레지스터(Dedicated-Purpose) : 특수한 목적에 사용되는 레지스터
  - IR (Instruction Register)
    수행중인 명령어를 저장하는 레지스터
  - PC (Program Counter)
    명령이 저장된 메모리 주소를 가리키는 레지스터
  - AC (Accumulator)
    연산 결과를 임시로 저장하는 레지스터

제어 장치
제어 신호를 생성하고, 명령어를 해석하는 장치로, 제어 신호를 통해 다른 장치들을 작동시키며, 프로그램 수행 순서를 제어하는 프로그램 계수기, 수행중인 명령어를 저장하는 명령 레지스터, 명령을 해독해 제어신호를 보내는 명령 해독기로 이루어져 있다.

제어장치는 크게 2가지 방식중 하나로 구성된다.

Hardwired	Micro Program
상태계수기와 PLA(Programmable Logic Array ) 회로로 이루어지고, 제어신호가 Hardwired Circuit 에 의해서 생성 되도록 구성된 하드웨어	발생 가능한 제어 신호들의 조합을 미리 구성하여 ROM 에 저장했다가 필요 시 신호를 발생시키는 Software
고속 처리, 고비용	저속 처리 저비용
RISC에 적용	CISC에 적용

위의 3가지 구성요소를 포함하는 요소로 CPU핵심 요소로 간주된다. 코어의 갯수에 따라 싱글 코어, 멀티 코어 그 이상으로 트리플, 쿼드, 헥사, 옥타 코어 등으로 불린다.

소프트웨어가 병렬적으로 구현 되어 있다면, 코어의 갯수 만큼 복수의 연산을 동시에 처리할 수 있다.(병렬화 가능한 연산일 경우)

명령어 처리 방식으로는 RISC와 CISC가 있다

RISC(Reduced Instruction Set Computer) : 컴퓨터 내부적으로 사용하는 명령어 세트를 단순화 시켜서 처리하는 형태로, 단순 명령을 조합해서 하나의 기능을 수행한다.
- 하나의 사이클로 명령을 처리
- 복잡한 컴파일러 구조
- 파이프라이닝, 슈퍼스칼라 사용 가능
- 메모리 접근을 로드(load), 스토어(store) 명령어로 제한
CISC(Complex Instruction Set Computer) : 복잡한 명령으로 하나의 기능을 수행하며, RICS와 대조되는 방식이다.
- 여러 사이클로 명령을 처리
- 복잡한 마이크로 프로그램구조
- 많은 명령어가 메모리를 참조

저장 장치는 데이터나 프로그램을 저장하는 장치로 CPU와 가까운 레지스터부터 대용량의 보조 기억장치까지 포함한다.

주 기억 장치와 보조 기억장치의 가장 큰 차이점은 데이터를 저장함에 있어서 휘발성을 띄는지 여부다.

주 기억장치에 저장된 데이터는 휘발성으로 전원이 꺼지면 데이터가 사라지며, 프로세스 데이터를 처리하기 때문에 보조 기억장치에 비해 속도가 빠르고 용량이 작다.

보조 기억장치는 속도가 느린대신 요량이 크기 때문에 실행하고 있지 않은 프로그램의 데이터를 저장하고 있으며, 전원이 꺼져도 데이터가 사라지지 않는다.

자기 디스크 : 플로피 디스크(FDD), 하드 디스크(HDD)
원판 표면에 있는 철 입자의 방향으로 0과 1을 표현하는 보조 기억 장치
광 디스크 : CD, DVD, 블루레이 디스크, HVD 등
원판 형태의 디스크 표면의 홈을 통해 데이터를 저장하고 편광변화를 읽어 데이터를 읽는 방식의 보조 기억 장치
플래시 메모리 : USB, SSD
전자적으로 데이터를 지우고 쓸 수 있는 비휘발성 보조 기억 장치

CPU내부 혹은 외부 가까운 곳에 위치한 기억 장치로, 주 기억창치와 CPU간의 속도 보정을 위한 버퍼 역할을 한다.

빠른 연산속도를 지닌 CPU의 속도롤 주 기억장치가 따라 갈 수 없기 때문에 캐시 메모리가 주 기억장치로 부터 일정량의 데이터를 받아와 CPU가 자신을 바라볼때 건내주고, 바라보지 않을 때 다시 받아오는 형식으로 주 기억장치와 CPU간의 속도를 보정한다.

CPU에 필요한 데이터를 캐시 메모리가 가지고 있는 경우를 Cache Hit라고 하고 그렇지 않은 경우는 Cache Miss라고 한다. 그리고 CPU가 필요로 하는 데이터를 지니고 있을 확률을 Hit Ratio라고 한다.

캐시의 크기 : 캐시 메모리의 크기는 Hit Ratio와 반비례한다.
인출 방식(Fetch Algorithm)
- 요구 인출(Demand Fetch): 필요 시 요구하여 인출하는 방식
- 선 인출(Pre-Fetch): 예상되는 데이터를 미리 인출하는 방식
쓰기 정책
- Write-Through : 주기억 장치와 캐시에 동시에 사용 Cache와 주 기억장치의 내용이 항상 일치하며, 구성 방법이 단순하다.
- Write-Back : 데이터 변경만 캐시에 기록하는 방식으로 구성방법이 복잡하다.
교체(Replace) 알고리즘 : Cache Miss 발생시 기존 메모리와 교체
FIFO, LRU, LFU, Random, Optimal Belady’s MIN(가장 참조 되지 않을 블록 교체) 등
사상(Mapping) 기법 : 주기억장치의 블록을 적재할 캐시 내의 위치를 지정
direct mapping, associative mapping, set associative mapping 등

일명 메모리라고도 불리는 기억장치로 이 중에서도 DRAM이 일반적으로 메모리라 불린다.

RAM(Random Access Memory)
컴퓨터의 전원이 끊어지면 내용이 휘발되며, 보조 저장 장치 필요로 한다. RAM의 크기는 프로그램의 수행 속도에 영향을 주며, CPU에서 직접 접근이 가능한 유일한 저장 장치다.
- SRAM : 리프레쉬를 필요로 하지 않으며, 전력소모가 적지만 가격이 비싸다.
  주로 캐시 메모리용도로 사용된다.
- DRAM : 리프레쉬가 필요하며, 가격이 싸다.

ROM((Read Only Memory))
대부분 읽을 수 만 있는 방식으로 이루어져 있으며, 전원이 꺼져도 데이터가 사라지지 않기 때문에 바이오스(BIOS)나 운영체제 등 컴퓨터 구동에 필요한 기본적인 정보를 담고 있다. 그러나 최근에 와서는 일부분이 읽고 쓰기가 가능한 플래시 메모리 등으로 일부 대체 되었다.

메모리가 CPU와 데이터를 주고 받는데 걸리는 시간은 엑세스 혹은 메모리 속도라고 부르며, ns(10억분의 1초)를 기준으로 한다.

메모리(DRAM)는 2차열 배열처럼 여러 메모리셀의 행렬로 구성되어있으며, 각 메모리셀의 전하 유무에 따라 데이터가 저장된다.

리프레시 시간
전하는 누출될 수 있기 때문에 전하가 누출되면 데이터의 손실로 이어진다. 이를 막기 위해 리프레시 라는 메모리셀의 전력 충전 단계가 필요하며, 작업을 한번 수행할 때마다 리프레시가 실행된다.
충전은 1사이클에 한 열씩 이루어 지고, 전체 충전에 걸리는 시간을 리프레시 시간이라고 한다.
메모리 엑세스 시간
CPU 제어장치로부터 데이터 읽기 명령을 받고 수행하기까지 걸리는 시간을 의미한다.
사이클 시간
메모리 작업 완료 시 부터 다음 작업 준비 완료 까지의 시간을 의미하며, 리프레시 시간과 엑세스 시간을 더한 값이다.

Reference