저는 이전부터 컴퓨터구조는 어떻게 이루어져있는지 무척 궁금했습니다. 어떻게 이렇게 빠를수가 있고, 어떻게 우리에게 화면을 보여주며, 어떻게 우리의 삶을 편안하게 해주는지 궁금했습니다.

저번학기(2-2)에 들었던 디시털시스템설계 과목에서 이런 궁금증중 하나인 컴퓨터는 어떻게 정보를 저장할수 있을까에 대한 해답을 찾을 수 있었습니다. 래치 -> 플립플롭 -> 레지스터까지 발전해 온 과정을 알 수 있었습니다. 하지만 레지스터의 작동 방식은 알아도, 어떻게 사용되는지는 알지 못했습니다.

이 책을 2주간 읽고 제가 궁금했던 내용들을 많이 알게 되었습니다. 인상깊은 내용이나 중요한 내용들을 정리해보았습니다. 컴퓨터구조 파트와 운영체제 파트가 있는데 먼저 앞 파트인 컴퓨터구조 중 CPU부터 살펴보겠습니다.

명령어

명령어는 연산 코드와 오퍼랜드로 구성되어 있습니다.

1. 연산 코드

명령어가 수행할 연산을 의미

연산 코드 유형

• 데이터 전송 - move, store, load등
• 산술/논리 연산 - add, divide, and/or/not, increment등
• 제어 흐름 변경 - jump, halt, call등
• 입출력 제어 - read, write, start io등

2. 오퍼랜드

연산에 사용할 데이터 또는 연산에 사용할 데이터가 저장된 위치를 의미.

보통 메모리 주소나 레지스터 이름이 담겨 주소 필드라고도 부름

명령어 안에 하나도 없을 수도 있고, 여러개가 있을 수도 있음.

3. 주소 지정 방식

오퍼랜드에 데이터 대신 해당 데이터의 메모리 주소(유효 주소)를 명시하면 표현할 수 있는 정보의 크기가 더 커집니다.

유효 주소를 찾는 방법을 주소 지정 방식 이라고 합니다.

• 즉시 주소 지정 방식 - 데이터를 오퍼랜드 필드에 직접 명시
• 직접 주소 지정 방식 - 유효 주소를 직접적으로 명시
• 간접 주소 지정 방식 - 유효 주소의 주소를 명시 - 직접 주소
  지정 방식보다 연산 코드의 크기만큼 표현 정보가 늘어남
• 레지스터 주소 지정 방식 - 직접 주소 지정 방식과 비슷하나 데이터가 레지스터에 저장
• 레지스터 간접 주소 지정 방식 - 데이터는 메모리에, 유효 주소는 레지스터에, 그 레지스터 주소를 명시

1. CPU

메모리에 저장된 명령어를 읽어 들이고, 해석하고, 실행하는 장치

ALU, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있습니다.

ALU

• 계산하는 부품입니다

• 레지스터를 통해 피연산자를 받아들이고, 제어장치로부터 수행할 연산을 알려주는 제어 신호를 받아들입니다.

• 연산을 수행한 결과는 특정 숫자나 문자, 주소가 될 수 있고 레지스터에 저장됩니다.

• 연산 결과에 대한 추가적인 정보인 플래그도 플래그 레지스터에 저장합니다.(부호 플래그, 오버플로우 플래그, 제로 플래그 등)

제어장치

• 제어 신호를 내보내고, 명령어를 해석하는 부품으로 일종의 전기 신호입니다.

• 클럭 신호, 해석해야할 명령어, 플래그 값, 제어 버스를 통해 제어 신호를 받아들입니다.

• 제어 버스로 CPU 외부(메모리, 입출력장치)에 제어 신호를 전달합니다

• CPU 내부(ALU - 수행할 연산 지시, 레지스터 - 데이터 이동이나 명령어 해석)에도 제어 신호를 보냅니다.

레지스터

프로그램 속 명령어와 데이터는 실행 전후로 반드시 레지스터에 저장됩니다.

레지스터의 종류

• 프로그램 카운터 : 메모리에서 읽어 들일 명령어의 주소 저장
• 명령어 레지스터 : 방금 메모리에서 읽어 들인 명령어를 저장하는 레지스터
• 메모리 주소 레지스터 : 메모리의 주소를 저장하는 레지스터 - CPU가 읽어 들이고자 하는 주소 값을 주소 버스로 보낼 때 거침
• 메모리 버퍼 레지스터 : 메모리와 주고받을 값(데이터와 명령어)를 저장
• 범용 레지스터 : 데이터와 주소를 모두 저장가능
• 플래그 레지스터 : 플래그 값을 저장
• 스택 포인터 : 스택 주소 지정 방식에 사용되어 스택의 꼭대기를 가리킴
• 베이스 레지스터 : 베이스 레지스터 주소 지정 방식에서 오퍼랜드와 이 값을 더하여 유효 주소를 얻음

인터럽트

CPU의 작업을 방해하는 신호로 동기 인터럽트인 예외와 비동기 인터럽트인 하드웨어 인터럽트가 있습니다.

하드웨어 인터럽트 처리 순서

1. 입출력 장치는 CPU에 인터럽트 요청 신호를 보냄
2. CPU는 실행 사이클이 끝나고 명령어를 인출 전 항상 인터럽트 여부 확인
3. 인터럽트 플래그를 통해 현재 인터럽트를 받아들일 수 있는지 여부 확인
4. 받아들일 수 있으면 CPU는 지금까지의 작업을 백업
5. CPU는 인터럽트 벡터를 참조하여 인터럽트 서비스 루틴을 실행
6. 인터럽트 서비스 루틴이 끝나면 백업을 복구하여 실행재개

• 인터럽트 벡터 : 인터럽트 서비스 루틴의 시작 주소를 포함하는 인터럽트 서비스 루틴의 식별 정보
• 인터럽트 서비스 루틴 : 인터럽트를 처리하는 프로그램

코어

명령어를 실행하는 부품(ALU, 레지스터, 제어장치를 가지고 있음)

CPU는 단순히 명령어를 실행하는 부품에서 명령어를 실행하는 부품을 여러 개 포함하는 부품으로 확장됐습니다. 코어가 여러개면 멀티코어 CPU라고 부릅니다.

스레드

실행 흐름의 단위로 하드웨어적 스레드와 소프트웨어적 스레드로 나뉩니다.

하드웨어적 스레드

• 하나의 코어가 동시에 처리하는 명령어 단위
• 2코어 4스레드는 한번에 네 개의 명령어를 처리가능 - 이런 CPU를 멀티스레드 프로세서라고 함
• 프로그램 입장에선 한번에 하나의 명령어를 처리하는 CPU가 4개 있는 것처럼 보임
• 논리 프로세서 라고 부르기도 함

소프트웨어적 스레드

• 하나의 프로그램에서 독립적으로 실행되는 단위

1코어 1스레드 CPU도 소프트웨어적 스레드를 수십 개 실행할 수 있습니다.

명령어 병렬 처리 기법

명령어 파이프라인

명령어 처리 과정을 클럭 단위로 나누면 다음과 같이 나눌 수 있습니다.

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

같은 단계가 겹치지만 않는다면 CPU는 각 단계를 동시에 실행할 수 있습니다. 이것을 명령어 파이프라이닝 이라고 합니다.

파이프라이닝은 특정 상황에서는 성능 향상에 실패하는 경우도 있습니다. 이러한 상황을 파이프라인 위험 이라고 합니다. 크게 데이터 위험, 제어 위험, 구조적 위험이 있습니다

저번 학기 시스템 프로그래밍 시간에 배운 내용들이 나왔습니다.

1. 데이터 위험

R1 <- R2 + R3
R4 <- R1 + R5

위의 경우 첫번째를 수행해야 두번째를 수행할 수 있습니다.

이처럼 데이터 의존적인 두 명령어를 무작정 동시에 실행하려고 하면 제데로 작동하지 않는 것을 데이터 위험 이라고 합니다.

2. 제어 위험

프로그램 카운터의 갑작스러운 변화로 명령어 파이프라인에 미리 가지고 와서 처리 중이었던 명령어들이 쓸모가 없어지는 것을 제어 위험이라고 합니다.

3. 구조적 위험

서로 다른 명령어가 동시에 CPU부품을 사용하려고 할 때 발생합니다. 자원 위험이라고도 합니다.

파이프라인이 여러개인 구조를 슈퍼스칼라 라고 합니다.

비순차적 명령어 처리 기법

명령어를 순차적으로만 실행하지 않고 순서를 바꿔 실행해도 무방한 명령어를 먼저 실행하여 명령어 파이프라인이 멈추는 것을 방지하는 기법입니다.

명령어 집합(ISA)

• CPU가 이해할 수 있는 명령어들의 모음
• CPU마다 다를 수 있습니다.
• 크게 CISC와 RISC가 있습니다.