[Computer Structure] 명령어 파이프라이닝과 주소 지정 방식⭐⭐

박시은·2023년 12월 1일

목록 보기

15/17

▶ 명령어 파이프라이닝

정의
- CPU 처리 속도를 높이기 위해 CPU 내부 하드웨어를 여러 단계로 나누어 명령어를 처리하는 병렬 컴퓨팅 기법이다.
장점
- 파이프라인을 사용하면 한 명령어의 특정 단계를 처리하는 동안 다른 부분에서는 다른 명령어의 다른 단계를 처리할 수가 있게 되므로 속도가 향상될 수 있다.

정의
- 명령어를 실행하는 하드웨어를 인출 단계(Fetch stage)와 실행 단계(excute stage)로 나눈 것을 말한다.
특징
- 두 단계에 동일한 클록을 가하여 동작 시간을 일치시킨다.
  ① 첫 번째 클록 주기에는 인출 단계가 명령어를 인출하고,
  ② 두 번째 클록 주기에는 인출된 첫 번째 명령어가 실행 단계로 보내져 실행되며, 동시에 인출 단계는 두 번째 명령어를 인출한다. ( 명령어 선인출)
- 소요 시간이 오래 걸리는 클록 주기로 맞춘다. (클록 : CPU의 속도를 나타내는 단위)
장점
- 2-단계 파이프라인을 이용하면 명령어 처리 속도가 최대 두 배만큼 빨라진다.
- 첫 번째 명령어는 2단계의 소요 시간이 걸리긴 하지만, 다음 명령어부터는 한 클럭씩 밖에 걸리지 않아 소요 시간이 줄어든다. (1클럭으로 개선)
문제점
- 두 단계의 처리 시간이 동일하지 않으면 두 배의 속도 향상을 얻지 못해 파이프라인 효율이 저하된다.
  (소요 시간이 오래 걸리는 클록 주기로 맞추기 때문)
해결책
- 파이프라인 단계를 세분화하여, 각 단계의 처리 시간을 (거의) 같아지도록 한다.

특징
- 명령어 하나를 수행하기 위해 4단계를 거쳐야 한다.
구성 단계
- 명령어 인출(IF) 단계
- 명령어 해독(ID) 단계
- 오퍼랜드 인출(OF) 단계
- 실행(EX) 단계
장점
- 파이프라인 단계의 수를 증가시켜 전체적으로 속도 향상 개선할 수 있다.
- 첫 번째 명령어는 4단계의 소요 시간이 걸리긴 하지만, 다음 명령어부터는 한 클럭씩밖에 걸리지 않아 소요 시간이 줄어든다.

파이프라인에 의한 전체 명령어 실행 시간 T
- 첫 번째 명령어를 실행하는데 k 주기가 걸리고, 나머지 (n - 1) 개의 명령어들은 각각 한 주기씩만 소요

파이프라인에 의한 최대 속도 향상률은 파이프라인의 주기수 k이다. (최대 k배만큼 빨라진다.)
- 즉, 4단계 파이프라이닝을 하면 최대 4배만큼 빨라진다!(저해 요소 배제 시)

정의
- 연산에 사용될 데이터를 주기억장치의 어떤 위치에서 인출할 것인가를 미리 명령어 형식의 오퍼랜드 주소부에 지정하는 방식
다양한 주소 지정 방식을 사용하는 이유
- 제한된 수의 명령어 비트들을 이용하여 여러가지 방법으로 오퍼랜드를 지정하고, 더 큰 용량의 기억장치를 사용하기 위함

정의
- 데이터가 명령어에 포함되어 있는 방식
- 오퍼랜드 필드의 내용이 연산에 사용될 실제 데이터이다. (주소 번지를 지칭하는 것이 아님)
  - ex. LOAD 7인 경우, 7이 번지가 아닌 7값을 로드해라 라는 의미
장점
- 메모리에 액세스 필요 없어 비교적 빠르다.
  - 그냥 그 수를 넘겨주면 되기 때문이다.
단점
- 표현 가능한 데이터 크기(사용할 수 있는 수)가 오퍼랜드 필드의 비트 수로 제한된다.
  - 비트 안에서 표현된 수를 세트해주는 것이기 때문이다.

정의
- 오퍼랜드 필드의 내용이 유효 주소(EA, Effective Address)가 되는 방식
  - 유효주소 : 데이터(피연산)가 저장된 메모리 실제 주소
장점
- 데이터 인출을 위해 한 번의 기억장치 액세스만 필요하다. (1번만 참조)
  - 필드에 유효 주소가 바로 있기 때문이다.
단점
- 표현 가능한 데이터 크기(사용할 수 있는 수)가 오퍼랜드 필드의 비트 수로 제한된다.

정의
- 오퍼랜드 필드의 내용이 유효주소를 가리키는 주소를 저장하는 방식 (메모리 처음 접근시 유효주소 x)
  - 즉, 오퍼랜드가 지칭한 메모리 주소로 갔을 때 또 다른 주소 값 지칭한다.
  - mode bit i를 통해 간접인지 직접인지 알 수 있다 : i=0 직접, i=1 간접)
장점
- 기억장치에 있는 비트만큼 주소를 참조할 수 있기 때문에 더 긴 주소 저장 가능하다.
단점
- 액세스 시간이 길어진다.

정의
- 연산에 사용될 데이터가 레지스터에 저장되어 있는 방식
장점
- 오퍼랜드 필드의 비트 수 적어도 괜찮다.
- 데이터 인출을 위하여 메모리에 접근하지 않고 레지스터에 바로 접근하므로 속도가 빠르다.
  - 속도: 즉시 > 레지스터 > 직접 > 레지스터 간접 > 간접
단점
- 데이터 저장 공간이 CPU 내부 레지스터로 제한되어있다.
- 레지스터 수 자체가 제한되어 있기 때문에 많이 참조할 수 없다.

정의
- 오퍼랜드 필드(레지스터 번호)가 가리키는 레지스터의 내용을 유효 주소로 사용하여 실제 데이터를 인출하는 방식
  - 레지스터를 거친 다음 간접 주소로 가는 것이다.

정의
- 인덱스 레지스터의 값과 변위⭐를 더하여 유효 주소를 결정 (실제 데이터가 있는 피연산자를 결정)하는 방식
- 인덱스 레지스터는 배열의 시작번지를 참조한다.
  - 데이터 배열이 기억장치에 35번부터 저장되어 있고, 인덱스 레지스터의 내용이 345일 경우 아래와 같다.
주요 용도
- 배열 데이터를 엑세스할 때 인덱스 레지스터가 필요하다.