Chapter 04. CPU 작동 원리

04-1. ALU와 제어 장치

ALU

ALU가 받아들이는 정보 : 피연산자, 제어 신호
ALU가 내보내는 정보 : 연산을 수행한 결과, 플래그

• CPU가 메모리에 접근하는 속도는 레지스터에 접근하는 속도보다 훨씬 느리다. ALU가 연산할 때 마다 결과를 메모리에 저장한다면 당연하게도 CPU는 메모리에 자주 접근하게 되고, 이는 CPU가 프로그램 실행 속도를 늦출 수 있다. 그래서 ALU의 결과값을 메모리가 아닌 레지스터에 우선 저장한다.
• 연산 결과에 대한 추가적인 상태 정보를 플래그(flag)라고 한다. 아래의 그림은 ALU가 내보내는 대표적인 플래그이다.

플래그 종류	의미	사용 예시
부호 플래그	연산한 결과의 부호를 나타낸다.	부호 플래그가 1일 경우 계산 결과는 음수, 0일 경우 계산 결과는 양수를 의미한다.
제로 플래그	연산 결과가 0인지 여부를 나타낸다.	제로 플래그가 1일 경우 연산 결과는 0, 0일 경우 연산 결과는 0이 아님을 의미한다.
캐리 플래그	연산 결과 올림수나 빌림수가 발생했는지를 나타낸다.	캐리 플래그가 1일 경우 올림수나 빌림수가 발생했음을 의미하고, 0일 경우 발생하지 않았음을 의미한다.
오버플로우 플래그	오버플로우가 발생했는지를 나타낸다.	오버플로우 플래그가 1일 경우 오버플로우가 발생했음을 의미하고, 0일 경우 발생하지 않았음을 의미한다.
인터럽트 플래그	인터럽트가 가능한지를 나타낸다.	인터럽트 플래그가 1일 경우 인터럽트가 가능함을 의미 하고, 0일 경우 인터럽트가 불가능함을 의미한다.
슈퍼바이저 플래그	커널 모드로 실행 중인지, 사용자 모드로 실행 중인지를 나타낸다.	슈퍼바이저 플래그가 1일 경우 커널 모드로 실행 중임을 의미하고, 0일 경우 사용자 모드로 실행 중임을 의미한다.

• 이처럼 플래그는 CPU가 프로그램을 실행하는 도중 반드시 기억해야하는 일종의 참고 정보이다.
• 플래그들은 플래그 레지스터라는 레지스터에 저장된다.

제어장치

제어장치는 제어 신호를 내보내고, 명령어를 해석하는 부품이다. 그리고 제어 신호는 컴퓨터 부품들을 관리하고 작동시키기 위한 일종의 전기 신호이다.

제어장치가 받아들이는 정보

1. 클럭
2. 해석해야 할 명령어
3. 플래그 레지스터 속 플래그 값
4. 제어 버스로 전달된 제어 신호

제어장치가 내보내는 정보

1. CPU 외부에 전달하는 제어 신호(TO. 레지스터, ALU)
2. CPU 내부에 전달하는 제어 신호(TO. 메모리, 입출력장치)

04-2. 레지스터

반드시 알아야 할 레지스터

1. 프로그램 카운터: 메모리에서 가져올 명령어의 주소
2. 명령어 레지스터: 해석할 명령어(방금 메모리에서 읽어 들인 명령어)
3. 메모리 주소 레지스터: 메모리의 주소
4. 메모리 버퍼 레지스터: 메모리와 주고받을 값
5. 플래그 레지스터: 연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보
6. 범용 레지스터: 데이터와 주소를 모두 저장
7. 스택 포인터: 스택 최상단의 위치를 저장
8. 베이스 레지스터: 기준 주소 저장

특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식(1) - 스택 주소 지정 방식

• 스택 주소 지정 방식은 스택과 스택 포인터를 이용한 주소 지정 방식이다. 스택은 한쪽 끝이 막혀있는 통과 같은 저장 공간이다. 그래서 스택은 가장 최근에 저장하는 값부터 꺼낼 수 있다.
• 여기서 스택 포인터란 스택의 꼭대기를 가리키는 레지스터이다. 즉, 스택 포인터는 스택에 마지막으로 저장한 값의 위치를 저장하는 레지스터이다.
• 스택은 메모리 안에 위치한다. 정확히는 메모리 안에 스택처럼 사용할 영역이 정해 있다. 이를 스택 영역이라고 한다. 이 영역은 다른 주소 공간과는 다르게 스택처럼 사용하기로 암묵적으로 약속된 영역이다.

특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식(2) - 변위 주소 지정 방식

• 변위 주소 지정 방식이란 오퍼랜드 필드의 값(변위)과 특정 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻어내는 주소 방식이다.
• 변위 주소 지정 방식은 오퍼랜드 필드의 주소와 어떤 레지스터를 더하는지에 따라 상대 주소 지정 방식과 베이스 레지스터 주소 지정 방식 등으로 나뉜다.
  - 상대 주소 지정 방식: 오퍼랜드와 프로그램 카운터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식
  - 베이스 레지스터 주소 지정 방식: 오퍼랜드와 베이스 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식

04-3. 명령어 사이클과 인터럽트

명령어 사이클

프로그램 속 각각의 명령어들은 일정한 주기가 반복되며 실행되는데, 이 주기를 명령어 사이클이라고 한다. 즉, 프로그램 속 각각의 명령어들은 명령어 사이클이 반복되며 실행된다.

• 인출 사이클(fetch cycle): 메모리에 있는 명령어를 CPU로 가지고 오는 단계
• 실행 사이클(execution cycle): CPU로 가져온 명령어를 실행하는 단계
• 간접 사이클(indirect cycle): 간접 주소 지정 방식은 오퍼랜드 필드에 유효 주소의 주소를 명시한다. 이 경우 명령어를 인출하여 CPU로 가져왔다 하더라도 바로 실행 사이클에 돌입할 수 없다. 명령어를 실행하기 위해서 메모리 접근을 한 번 더 해야 하기 때문이다. 이 단계를 간접 사이클이라 한다.

인터럽트

CPU의 작업을 방해하는 신호를 인터럽트(interrupt)라고 한다.
인터럽트는 크게 동기 인터럽트(예외)와 비동기 인터럽트(하드웨어 인터럽트)가 있다.

• 동기 인터럽트(예외, exception)
  - CPU가 명령어들을 수행하다가 예상치 못한 상황에 마주쳤을 때, 가령 CPU가 실행하는 프로그래밍상의 오류와 같은 예외적인 상황에 마주쳤을 때 발생하는 인터럽트가 동기 인터럽트이다.
• 비동기 인터럽트(하드웨어 인터럽트)
  - 주로 입출력장치에 의해 발생하는 인터럽트를 말한다.
  - 하드웨어 인터럽트란 알림과 같은 인터럽트이다. CPU는 입출력 작업 도중에도 효율적으로 명령어를 처리하기 위해 이를 사용한다.
  • 하드웨이 인터럽트의 처리 순서
    1. 입출력장치는 CPU에 인터럽트 요청 신호를 보낸다.
    2. CPU는 실행 사이클이 끝나고 명령어를 인출하기 전 항상 인터럽트 여부를 확인한다.
    3. CPU는 인터럽트 요청을 확인하고 인터럽트 플래그를 통해 현재 인터럽트를 받아들일 수 있는지 여부를 확인한다.
    4. 인터럽트를 받아들일 수 있다면 CPU는 지금까지의 작업을 백업한다.
    5. CPU는 인터럽트 벡터를 참조하여 인터럽트 서비스 루틴을 실해한다.
    6. 인터럽트 서비스 루틴 실행이 끝나면 4.에서 백업해 둔 작업을 복구하여 실행을 재개한다.

'CPU가 인터럽트를 처리한다'는 말은 '인터럽트 서비스 루틴을 실행하고, 본래 수행하던 작업으로 다시 되돌아온다.'라는 말과 같다.

Chapter 05. CPU 성능 향상 기법

05-1. 빠른 CPU를 위한 설계 기법

클럭

• 클럭 속도가 높아지면 CPU는 명령어 사이클을 더 빠르게 반복할 것이고, 다른 부품들도 그에 발맞춰 더 빠르게 작동할 것이다.
• 실제로 클럭 속도가 높은 CPU는 일반적으로 성능이 좋다. 그래서 클럭 속도는 CPU 속도 단위로 간주되기도 한다.
• 클럭 속도를 높이는 것은 분명 CPU를 빠르게 만들지만, 클럭 속도만으로 CPU의 성능을 올리는 것에는 한계가 있다.

코어와 멀티코어

CPU의 성능을 높이는 방법에는 대표적으로 CPU의 코어와 스레드 수를 늘리는 방법이 있다.

• 지금까지 CPU의 정의라고 알고 있었던 '명령어를 실행하는 부품'은 오늘날 코어(core)라는 용어로 사용된다. 다시 말해, 오늘날의 CPU는 '명령어를 실행하는 부품을 여러 개 포함하는 부품'으로 명칭의 범위가 확장되었다.
• 코어를 여러 개 포함하고 있는 CPU를 멀티코어 CPU 또는 멀티코어 프로세서라고 부른다. 이는 CPU 내의 명령어를 처리하는 일꾼이 여러 명 있는 것과 같다.

스레드와 멀티스레드

스레드(thread)의 사전적 의미는 '실행 흐름의 단위'이다. 스레드에는 CPU에서 사용되는 하드웨어적 스레드가 있고, 프로그램에서 사용되는 소프트웨어적 스레드가 있다.

1. 하드웨어적 스레드

• '하나의 코어가 동시에 처리하는 명령어 단위'를 의미한다.
• 하나의 코어로 여러 명령어를 처리하는 CPU를 멀티스레드 프로세서 또는 멀티스레드 CPU라고 한다.

2. 소프트웨어적 스레드

• '하나의 프로그램에서 독립적으로 실행되는 단위'를 의미한다.
• 하나의 프로그램은 실행되는 과정에서 한 부분만 실행될 수도 있지만, 프로그램의 여러 부분이 동시에 실행될 수도 있다.

3. 멀티스레드 프로세서

• '하나의 코어로 여러 명령어를 동시에 처리하는 CPU'를 의미한다.

코어는 명령어를 실행할 수 있는 '하드웨어 부품'이고, 스레드는 '명령어를 실행하는 단위'이다. 멀티코어 프로세서는 명령어를 실행할 수 있는 하드웨어 부품이 CPU 안에 두 개 이상 있는 CPU를 의미하고, 멀티스레드 프로세서는 하나의 코어로 여러 개의 명령어를 동시에 실행할 수 있는 CPU를 의미한다.

05-2. 명령어 병렬 처리 기법

명령어 파이프라인

• 명령어 파이프라인을 이해하려면 하나의 명령어가 처리되는 전체 과정을 비슷한 시간 간격으로 나누어 보아야한다. 명령어 처리 과정을 클럭 단위로 나누어 보면 일반적으로 다음과 같이 나눌 수 있다.

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

• 여기서 중요한 점은 같은 단계가 겹치지만 않는다면 CPU는 '각 단계를 동시에 실행할 수 있다'는 것이다. CPU는 한 명령어를 '인출'하는 동안에 다른 명령어를 '실행'할 수 있고, 한 명령어가 '실행'되는 동안에 연산 결과를 '저장'할 수 있다.

• 이처럼 마치 공장 생산 라인과 같이 명령어들을 명령어 파이프라인에 넣고 동시에 처리하는 기법을 명령어 파이프라이닝이라고 한다.

• 파이프라이닝이 높은 성능을 가져오기는 하지만, 특정 상황에서는 성능 향상에 실패하는 경우도 있다. 이러한 상황을 파이프라인 위험이라고 부른다.

  파이프라인 위험

  • 데이터 위험 : 명령어 간 '데이터 의존성'에 의해 발생
  • 제어 위험 : 주로 분기 등으로 인한 '프로그램 카운터의 갑작스러운 변화'에 의해 발생
  • 구조적 위험: 명령어들이 겹쳐 실행하는 과정에서 서로 다른 명령어가 동시에 ALU, 레지스터 등과 같은 CPU 부품을 사용하려고 할 때 발생. 구조적 위험은 자원 위험이라고도 부른다.

슈퍼스칼라

• CPU 내부에 여러 개의 명령어 파이프라인을 포함한 구조를 말한다. 명령어 파이프라인을 하나만 두는 것이 마치 공장 생산 라인을 한 개 두는 것과 같다면, 슈퍼스칼라는 공장 생산 라인을 여러 개 두는 것과 같다.
• 슈퍼스칼라 구조로 명령어 처리가 가능한 CPU를 슈퍼스칼라 프로세서 또는 슈퍼스칼라 CPU라고 한다.
• 이론적으로 파이프라인 개수에 비교하여 프로그램 처리 속도가 빨라지지만 여러 개의 파이프라인을 이용하면 하나의 파이프 라인을 사용할 때보다 데이터 위험, 제어 위험, 자원 위험을 피하기가 까다롭기 때문에 반드시 파이프라인 개수에 비례하여 빨라지지는 않는다.

비순차적 명령어 처리

• 파이프라인의 중단을 방지하기 위해 명령어들을 순차적으로 실행하지 않는 기법을 말한다.
• 비순차적 명령어 처리가 가능한 CPU는 명령어들이 어떤 명령어와 데이터 의존성을 가지고 있는지, 순서를 바꿔 실행할 수 있는 명령어에는 어떤 것이 있는지를 판단할 수 있어야 한다.

05-3. CISC와 RISC

명령어 집합

CPU의 언어이자 하드웨어가 소프트웨어를 어떻게 이해할지에 대한 약속

CISC와 RISC

CISC	RISC
복잡하고 다양한 명령어	단순하고 적은 명령어
가변 길이 명령어	고정 길이 명령어
다양한 주소 지정 방식	적은 주소 지정 방식
프로그램을 이루는 명령어의 수가 적음	프로그램을 이루는 명령어의 수가 많음
여러 클릭에 걸쳐 명령어 수행	1클럭 내외로 명령어 수행
파이프라이닝하기 어려움	파이프라이닝하기 쉬움

📌기본 미션: p.125의 확인 문제 2번, P.155의 확인 문제 4번 풀고 인증하기