[컴퓨터구조] Components of a Computer

최원석·2024년 10월 22일
컴퓨터구조

Components of a Computer

CPU : Control + Datapath

❓CPU?
컴퓨터의 기억, 해석, 연산, 제어라는 4대 주요기능을 관할하는 장치를 말한다

Memory
I/Os - input/output의 약자

  • GUPs
  • User-Interface Devices
  • Storage Devices

Von Neumann Architecture

폰 노이만이 제시한 컴퓨터 구조로 중앙처리 장치, 메모리, 프로그램으로 구성되어 있다.

Microprocessor

Microprocessor의 정의

하나의 은 반도체 칩으로 만들어진 처리장치
컴퓨터 프로그램의 작동을 수행하기 위한 산술 및 제어 로직 회로를 포함

The Moore’s Law
24개월을 주기로 칩의 성능이 두배로 향상된다는 법칙.

Architecture: Exploiting Parallelism

Instruction Level Parallelism

Instruction을 병령적으로 처리하는 방법.

  • Pipelining
  • Superscalar
  • Out-of-order Exscution

Data Level Parallelism

Data를 병렬적으로 처리하는 방법.

  • SIMD / Vector Instructions

Task Level Parallelism

Task를 병렬적으로 처리하는 방법.

  • Simultaneous Multithreading
  • Multicore

Instruction Set Architecture (ISA)

하드웨어와 소프트웨어 사이에 Interface를 정의하는 것. 하드웨어와 프로그램 사이의 매개체 역할을 하는 것 이다.

ISA의 예시

  • 하드웨어의 추상을 소프트웨어에서 볼 수 있다.
  • CPU가 어떻게 작동하는지 써논 것

Abstraction is Good

  • 추상화는 복잡성을 다루는데 도움을 준다.
  • 더 좋은, 더 나은 프로그램을 원할 때 도움을 준다.
  • 하위 요소들을 이해를 필요로 한다.

How to Define Performance?

Measuring Time

measring cpu performance

performance=1/Executiontimeperformance = 1/Execution time

To compare 2개의 성능을 비교하는 방법

x와 y가 있다고 가정

n=PerformacexPerformacey=ExecutiontimeyExecutiontimexn= \frac{Performace_x}{Performace_y} = \frac{Execution time_y}{Execution time_x}
  • Performace_x/Performace_y 가 1보다 크면 x의 성능이 y의 성능보다 좋다.
  • 반대의 경우 y의 성능이 좋다.

❗Performacer는 높을 수록 좋고, 실행시간은 적을 수록 좋다. 성능은 실행시간과 반비례 관계를 가진다.❗️

Clock Cycle Time vs. Clock Rate

Clock Cycle Time

Clock Rate

1초당 처리하는 Clock cycle time을 나타낸다.

clock rate=1/clock cyclce timeclock \text{ rate}= 1/clock\text{ cyclce }time
  • 단위 : HZ
  • 예를 들어, 3.5 GHz의 클럭 속도를 가진 CPU는 1초에 35억 번의 클럭 주기를 수행할 수 있다는 뜻.

Excution Time

cpu의 실행시간은 프로그램이 얼마나 오래동안 실행되었는지를 지표로 사용한다.

실행시간 계산 공식

Execution=Clock cycles for program∗clock cycle timeExecution = \text{Clock } \text{cycles } \text{for }program * \text{clock } cycle \text{ time}

위 식을 바탕으로 아래 식도 유도할 수 있다.

Execution=Clock cycles for program clock rate\text{Execution} = \frac{\text{Clock cycles for program }}{\text{clock rate}}

Measuring clock cycles

cpu clock cycles / program 은 직관적이지 않다. → 추정하기 매우 어렵다.

CPI - Cycles Per Instruction

명령어 하나를 실행하는 데 걸리는 평균 클럭 사이클 수

  • CPI가 비번하게 지표로 사용된다.
  • 즉, CPI가 낮을 수록 성능이 좋음
  • ISA간의 성능을 비교할 때 좋은 지표가 됨.

예를 들어, 프로그램을 실행하는 동안 1000개의 명령어가 실행되었고, 총 5000번의 클럭 사이클이 걸렸다면, CPI는 다음과 같이 계산됩니다:

CPI=50001000=5\text{CPI} = \frac{5000}{1000} = 5

CPI이 평균 값인 이유

각 명령어마다 걸리는 클럭 사이클 수가 다르기 때문에, 실제로 모든 명령어에 대해 동일한 클럭 사이클 수가 사용되지 않습니다. 예를 들어, 산술 연산은 상대적으로 짧은 시간이 걸릴 수 있지만, 메모리 접근이나 입출력 명령어는 더 많은 클럭 사이클이 필요할 수 있습니다. 따라서, CPI는 다양한 명령어들의 클럭 사이클 수를 평균내어 구하게 됩니다.

Using CPI

Therefore Execution time=모든 명령어 수 ∗CPI∗Clock cycle time\text{Execution time} = \text{모든 명령어 수 }*\text{CPI} *\text{Clock cycle time}

  • 모든 명령어 수 X CPI 를 하면 ⇒ 모든 CLock cycle의 수가 나온다. 그 후, 사이클 하나당 시간을 곱하면 전체 실행 시간이 나옴.

→ 아래 식을 유도할 수 있다.

Exection time=Clock cycles for ProgramClock rate\text{Exection time} = \frac{\text{Clock cycles for Program}}{\text{Clock rate}}

여기서 의문

아래 예시를 보자

Examples

  • Machine A - 1ns clock and CPI of 2.0
  • Machine B - 2ns clock and CPI of 1.2

( 실행 명령어 개수는 같다고 가정한다.)

CPI만 보면 명령어 하나를 처리하는 클럭의 평균 수이므로, B가 A보다 더 빠르다고 생각할 수 있다. 과연 그럴까?

성능 계산
Exection time of A=실행 명령어 수∗2.0∗1ns=2.0∗실행 명령어 수\text{Exection time of A} = \text{실행 명령어 수} * 2.0 * 1\text{ns} =2.0*\text{실행 명령어 수}

Exection time of B=실행 명령어 수∗1.2∗2ns=2.4∗실행 명령어 수\text{Exection time of B} = \text{실행 명령어 수} * 1.2 * 2\text{ns} =2.4*\text{실행 명령어 수}

⇒ 성능은 A가 더 좋다.

계산 결과 A가 성능이 좋다는 결과가 나왔다. → CPI와 다른 결과 도출

CPI Variabillity

같은 프로세스 여도 명령어 타입 마다 clock cycles의 수가 다르다.

CPI=∑i=1n(CPIi∗Ci)Total instruction count\text{CPI} = \frac{\sum_{i=1}^{n}(CPI_i *C_i)}{\text{Total instruction count}}

CiC_i : i 타입의 명령어의 개수
CPIiCPI_i : i 타입의 명령어의 clock cycle 수. 즉, i타입의 CPI

MIPS (Mliiion instrictions per second)

초당 100만 개의 명령을 수행할 수 있는 능력

MIPS=Instruction CountExecution Time∗106MIPS =\frac{\text{Instruction Count}}{\text{Execution Time} *10^6}

문제점 : MIPS 는 명령어의 집합을 고려하지 않음. 즉, 그 명령어 하나가 얼마나 많은 일을 수행하는지 반영하지 않는다. → 명령어 집합이 달라지면, 명령어의 개수가 달라지기에 성능을 비교하기 힘들다.

Benchmarks

벤치마크는 작업량의 속성을 추출하는 것이다

사실상의 산업 표준 : SPEC

Amdahl’s Law

프로그램은 병렬처리, 순서처리가 가능한 부분으로 구성되어 있으므로 아무리 병렬화를 시켜도 더 이상 성능이 향상되지 않는 다는 한계가 존재한다는 법칙

Execution speedup is proportional to the size of the
improvement and the amount affected

실행 속도 향상은 개선 규모와 영향을 받는 양에 비례.

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1개의 댓글

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woongaaaa
2024년 10월 23일

굿

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