02. Computer architecture

Instruction Execution Cycle

Step-by-Step Process

1. Read a Line:
   • 명령어를 한 줄 읽어옴.
2. Check Grammar:
   • OPcode: 연산자를 확인.
     • 지원 연산자: +, -, *, /, M (Move).
   • Operands: 두 개의 피연산자를 확인.
     • 형식:
       • operand1, operand2
       • Prefix: R (Register), 0X (Hexadecimal).
3. Evaluate Operands:
   • 피연산자를 처리하여 실행 가능한 값으로 변환.
     • String → Number: 문자열 데이터를 숫자로 변환.
     • Register → Number: 레지스터에 저장된 값을 숫자로 변환.
4. Do Calculation:
   • 계산을 수행하고 결과를 저장.
     • Result: 계산 결과를 R0 레지스터에 저장.
5. Read the Next Line:
   • 다음 명령어를 읽어와 반복 수행.

Von Neumann Computer Architecture

components

• 연산장치 (ALU):
  • 논리 연산 및 수리 연산을 수행하며, 명령어(OPCODE)와 데이터(OPRAND)로 구성된 명령어 세트를 처리.
• 제어장치 (CU):
  • 프로그램 명령어를 해독, 처리 순서를 제어, 결과 저장 및 출력 관리.
  • 노스브리지: CPU, 메모리, 그래픽카드 등 제어.
  • 사우스브리지: 입출력 장치(마우스, 키보드 등) 제어.
• 저장장치 (Memory):
  • 데이터를 저장하며 CPU 내 레지스터, RAM, 외부 메모리(하드디스크, SSD 등)로 구성.
• 입력장치 (Input):
  • 사용자 명령을 입력하는 장치 (예: 키보드, 마우스).
• 출력장치 (Output):
  • 처리 결과를 출력하는 장치 (예: 모니터, 프린터).

Key Features

1. Concrete Realization of Turing Machine
   • 튜링 머신의 구체적인 구현으로, 범용 계산을 가능하게 함.
2. Stored Program
   • 프로그램이 메모리에 저장됨.
   • 장점: 저장된 프로그램을 변경하면 컴퓨터의 동작을 바꿀 수 있음.
   • 새로운 알고리즘과 프로그램을 추가할 수 있어 이전에는 풀지 못했던 문제도 해결 가능.
3. Sequential Execution
   • 명령어는 Instruction Pointer (IP) 또는 Program Counter (PC)를 이용해 순차적으로 실행됨.
   • Control Flow는 특정 명령어(branch, return)에 의해 변경될 수 있음.

Control Flow와 Basic Block

• Sequential Control Flow:
  • 대부분의 명령어는 순차적으로 실행됨.
• Change in Control Flow:
  • branch, return 등의 명령어로 제어 흐름이 변경될 수 있음.
• Basic Block:
  • 분기 없이 순차적으로 실행되는 제어 흐름의 최소 단위.

Foundation of Instruction Execution Cycle

명령어 실행 과정은 다음과 같은 사이클로 이루어짐:

1. Fetch: 메모리에서 다음 명령어를 가져옴.
2. Decode: 명령어와 피연산자를 해석함.
3. Evaluate Operands: 실행에 필요한 데이터를 준비함.
4. Access Memory: 메모리에서 데이터를 읽거나 씀.
5. Update Result: 계산을 수행하고 결과를 저장함.
6. Update PC: 다음 명령어를 실행하기 위해 프로그램 카운터를 업데이트함.

Main Memory in ISA Computers

현대 ISA 컴퓨터는 DRAM (Dynamic Random Access Memory)를 주 메모리로 사용함.
Purpose: 프로그램과 데이터를 저장해 실행 가능하게 하며, 효율적이고 유연한 계산을 지원함.

Linux Computers와 Program Loading

• 프로그램 실행 전, 운영체제(OS)는 프로그램 로딩을 수행함:
  • 하드 디스크나 SSD 같은 저장소에서 프로그램 코드와 데이터를 RAM으로 전송함.
  • 프로그램이 실행될 준비를 할 수 있도록 특정 메모리 주소에 배치함.

Implications of Von Neumann Architecture

1. 컴퓨팅 유연성:

   • 메모리에 저장된 프로그램은 동적으로 업데이트되거나 교체될 수 있음.
   • 이 유연성을 통해 새로운 문제 해결이 가능해짐.

2. 범용성:

   • 동일한 하드웨어로 다양한 작업을 수행할 수 있음.

3. 한계점:

   • Von Neumann Bottleneck: CPU와 메모리 간 데이터 전송 속도가 제한되어 성능 저하가 발생할 수 있음.

Stack Machine (1980s)

• Operation Based on Stack:

  • 모든 데이터와 프로그램이 스택에 푸쉬되고, 스택 기반으로 작동.
  • 스택 머신은 Postfix 표현(후위 표기법)으로 데이터를 정렬하여 간단한 명령어를 실행함.

Data-Flow Machine

• Key Features

1. Execution Based on Data Flow:
   • 명령어는 데이터의 의존성에 따라 실행됨.
   • 데이터 간 의존성이 없을 경우 병렬 처리 가능, 동시에 여러 작업 수행.
2. Parallel Execution:
   • 데이터 의존성을 기반으로 하는 구조로, 효율적인 비순차적 실행을 지원.
3. Hardware Complexity:
   • 명령어 스케줄링을 위한 복잡한 하드웨어 구성이 필요함.