Chapter 5 컴퓨터 아키텍처- [밑바닥부터 만드는 컴퓨팅 시스템]

5.1 배경

5.1.1 내장식 프로그램 개념

컴퓨터는 정해진 명령어 집합들을 실행하는 고정된 하드웨어 플랫폼에 기반한다. 그리고 컴퓨터가 실행하는 명령어들은 기본 블록이 되어 무한히 복잡한 프로그램으로 조합된다. 이 프로그램들은 하드웨어에 내장되지 않는 대신, 프로그램의 코드는 컴퓨터 메모리상에 바로 데이터처럼 저장되고 연산되는데, 이것을 '소프트웨어'라 부른다.

5.1.2 폰 노이만 구조

폰노이만 구조는 중앙 처리 장치(CPU)를 기반으로 하며, 이 장치는 메모리와 통신하고, 입력 장치에서 데이터를 받고, 출력 장치에 데이터를 보내는 일을 한다.

5.1.3 메모리

폰 노이만 기계의 메모리는 데이터와 명령어, 두 종류의 정보를 저장한다. 이 두 정보는 보통 다르게 취급되고, 어떤 컴퓨터에서는 메모리 장치를 분리해서 따로 저장하기도 한다.
두 정보의 기능은 다르지만, 동일한 무작위 접근 구조에 2진수로 저장된다는 점은 같다.

• 데이터 메모리

  고수준 프로그램은 변수, 배열, 객체같은 추상적 개념을 다룬다. 이런 추상적 데이터들을 기계어로 번역하면 2진 숫자열로 바뀌어 데이터 메모리에 저장된다.

• 명령어 메모리

  고수준 명령들을 기계어로 번역하면 2진수 기계어 명령어를 뜻하는 단어들이 된다. 이 명령어들은 명령어 메모리에 저장된다.

5.1.4 중앙 처리 장치

중앙 처리 장치(CPU)는 불러온 프로그램의 명령어를 실행하는 일을 담당한다. CPU는 이 명령어들을 통해 다양한 계산을 수행(ALU), 메모리에 값을 읽거나 쓰고(레지스터), 조건에 따라 다른 명령어로 점프(제어 장치)한다.

• 산술 논리 연산 장치(ALU)

  컴퓨터에서 지원하는 모든 저수준 산술, 논리 연산을 수행하는 장치다. 일반적인 ALU는 두 값을 더하거나, 어떤 숫자가 양수인지 확인하거나, 데이터 단어의 비트를 조작하는 등의 일을 할 수 있다.

• 레지스터

  CPU는 간단한 계산을 빠르게 수행하도록 설계된다. 이를 위해서 매번 데이터를 메모리에서 로드하고 저장하기 보다는, CPU 근처에 저장할 수 있는 고속 레지스터를 약간씩 갖추고 있다.

• 제어 장치

  보통 16, 32, 64 bit 2진 코드로 표현되는 컴퓨터 명령어를 해석해서 ALU, 레지스터, 메모리가 무엇을 해야 하는지를 전달한다. 동시에 어떤 명령어를 인출하고 다음에 실행할지 알아내는 역할도 한다.

이렇게 CPU 연산은 이제 명령어(단어)를 메모리에서 인출하고, 해석하고, 실행하고, 다음 명령어를 인출하는 루프가 반복되는 것으로 묘사할 수 있다.

5.1.5 레지스터

메모리 접근은 느린 작업이다. CPU가 메모리 주소 j의 내용을 가져오라는 지시를 받으면, 다음과 같은 과정이 진행된다.

1. j가 CPU에서 RAM으로 전달된다.
2. RAM의 직접 접근 논리에 따라 주소가 j인 메모리 레지스터가 선택된다.
3. RAM[j]의 내용이 CPU로 다시 전달된다.

하지만 레지스터는 CPU 칩 내부에 물리적으로 위치해 있고, 메모리 셀은 거의 수백만 개가 있지만 보통 레지스터는 소수만 있기 때문에 데이터를 옮기고 메모리를 탐색하는데 비용을 들이지 않는다.

CPU들은 여러 용도로 여러 가지 종류의 레지스터를 각각 다른 개수만큼 사용한다.

• 데이터 레지스터

  CPU의 단기 기억 메모리 기능을 한다. 예를 들어 (a-b)*c 값을 계산한다고 할 때, (a-b)의 값을 메모리에 임시로 저장할 수 있긴 하지만, CPU 내부에 저장하는 편이 더 효율적이기 때문에 그 용도로 '데이터 레지스터' 를 둔다.

• 주소 지정 레지스터

  CPU는 데이터를 읽고 쓰기 위해서 계속 메모리에 접근해야 한다. 그리고 메모리에 접근할 메모리 단어(주소)를 지정해야 한다. 이 주소가 현재 명령어에 포함되어 있지 않은 경우에, '주소 지정 레지스터' 에 저장된 예전 명령어의 실행 결과(주소)를 이용하기도 한다.

• 프로그램 계수기 레지스터(Program Counter Register)

  CPU가 명령어 메모리에서 인출해야 할 다음 명령어의 주소를 저장한다.
  실행중인 명령어에 goto 문이 없는 경우에는 PC가 프로그램의 다음 명령어를 가리키도록 값을 증가시키고, goto n 문이 있는 경우에는 PC에 n 값을 로드한다.

5.1.6 입력과 출력

우리가 흔히 사용하는 모니터나 키보드 이외에도 수많은 입출력 장치가 존재한다. 각각의 설정을 만들기에는 너무 많은 비용이 들기 때문에, 모든 입출력 장치들을 똑같이 처리하는 기법인 '메모리 매핑 I/O'을 만들었다.

• 메모리 매핑 I/O

  I/O 장치와 컴퓨터가 연결되면 빈 메모리에 해당 장치가 사용할 공간을 할당한다. I/O 장치를 에뮬레이션해서, CPU가 그 장치를 일반적인 메모리 세그먼트처럼 보이도록 하는 것이다.

• 입력 장치

  입력 장치의 메모리 맵은 지속적으로 장치의 물리적 상태를 반영한다. 키보드에 키가 눌렸다면, 그 장치의 메모리 맵에 특정 값들이 기록된다.

• 출력 장치

  출력 장치의 메모리 맵은 지속적으로 장치의 물리적 상태를 구동하도록 만들어진다. 어떤 출력 장치를 조작하고 싶은 경우(스크린에 표시, 스피커 재생), 그 장치의 메모리 맵에 특정 값들을 기록한다.

하드웨어 측면에서 I.O 장치들은 메모리 장치와 유사한 인터페이스를 가져야 한다.
소프트웨어 관점으로는 각 I/O 장치에 통신 규약을 정의해서 프로그램이 올바르게 접근할 수 있도록 해야 한다.

5.2 핵 하드웨어 플랫폼 명세

5.2.1 개요

5.2.2 중앙 처리 장치

핵 기계어로 작성된 16비트 명령어를 실행할 수 있도록 설계되었다. CPU는 명령어 메모리, 데이터 메모리 모듈에 연결된다.

5.2.3 명령어 메모리

핵 명령어 메모리는 ROM(Rean-Only Memory)라 불리는 칩 상에 구현된다. 핵 ROM은 주소 지정 가능한 32K개의 16비트 레지스터들로 구성된다.

5.2.4 데이터 메모리

핵의 데이터 메모리 인터페이스는 3장에서 구현한 RAM 장치와 동일하다. 그래서 레지스터 n의 내용을 읽으려면 메모리의 address 입력에 n을 넣고 out 출력을 검사하면 된다. 이 연산은 클록과 무관하다.
레지스터 n에 값 v를 쓰려면, in 입력에 v를, address 입력에 n을 넣고, 메모리의 load 비트를 활성화하면 된다. 이 연산은 순차 연산으로, 다음 클록 주기에 데이터 변경이 일어난다.

• 메모리 맵

  핵 플랫폼의 I/O 장치로 스크린과 키보드는 메모리 매핑 버퍼를 통해 컴퓨터 플랫폼과 통신한다.
  '스크린 메모리 맵'이라 불리는 특정 메모리 세크먼트에 단어를 읽고 쓰는 것으로 스크린 이미지를 확인하거나 그릴 수 있다.
  '키보드 메모리 맵'이라 불리는 특정 메모리 단어를 조사함으로써 현재 어떤 키가 눌린 상태인지 알 수 있다.

• 전체 메모리

  RAM(표준 데이터 저장소)과 스크린 맵 및 키보드 맵이 포함된다.
  

5.2.5 컴퓨터

컴퓨터 칩은 CPU, 데이터 메모리(RAM), 명령어 메모리(ROM), 스크린, 키보드 및 그 외 컴퓨터 작동에 필요한 모든 하드웨어 장치들로 구성된다. 이 컴퓨터에서 프로그램을 실행하기 위해서는 프로그램 코드를 ROM에 미리 로드해야 한다.

5.3 구현

5.3.1 중앙 처리 장치

• 제어 장치 설계
  

• HDL 구현

CHIP CPU {

    IN  inM[16],         // M value input  (M = contents of RAM[A])
        instruction[16], // Instruction for execution
        reset;           // Signals whether to re-start the current
                         // program (reset==1) or continue executing
                         // the current program (reset==0).

    OUT outM[16],        // M value output
        writeM,          // Write to M? 
        addressM[15],    // Address in data memory (of M)
        pc[15];          // address of next instruction

    PARTS:
    // Put your code here:
    Mux16(a=instruction, b=ALUout, sel=instruction[15], out=AorC);      // 명령어의 종류(A or C)를 적용시킨다. 
    Not(in=instruction[15], out=A);
    Or(a=A, b=instruction[5], out=loadA);                               // i'+ d1
    ARegister(in=AorC, load=loadA, out=address, out[0..14]=addressM);   // A 명령어이거나 d1이 1인 경우에 A 레지스터에 새로운 값을 저장한다. 15비트 주소 값을 출력한다. 

    And(a=instruction[15], b=instruction[3], out=writeM);               // i * d3 -> C 명령어이고 d3가 1인 경우에 결과값을 확인하고 메모리에 저장한다. 

    Mux16(a=address, b=inM, sel=instruction[12], out=y);                // A 레지스터에 저장된 주소값을 사용할지, CPU의 입력값을 사용할지 a비트가 결정한다. 

    And(a=instruction[15], b=instruction[4], out=loadD);                // i * d2 -> C 명령어이고 d2가 1인 경우에 D 레지스터에 이전 결과값을 저장한다. 
    DRegister(in=ALUout, load=loadD, out=x);

    ALU(x=x, y=y, zx=instruction[11], nx=instruction[10],
        zy=instruction[9], ny=instruction[8], f=instruction[7], 
        no=instruction[6], out=outM, out=ALUout, zr=ALUzr, ng=ALUng);   // c1 ~ c6로 연산 종류를 결정한다. out=0 -> zr=1, out<0 -> ng=1
                                                                        
    Or(a=ALUzr, b=ALUng, out=outUpto0);                                 // out<=0   
    Not(in=outUpto0, out=outGThan0);                                    // out>0
    Not(in=ALUng, out=outDownto0);                                      // out>=0
    Not(in=ALUzr, out=outNot0);                                         // out!=0

    Mux(a=false, b=outGThan0, sel=instruction[0], out=muxAB);           
    Mux(a=ALUzr, b=outDownto0, sel=instruction[0], out=muxCD);
    Mux(a=muxAB, b=muxCD, sel=instruction[1], out=muxABCD);

    Mux(a=ALUng, b=outNot0, sel=instruction[0], out=muxEF);
    Mux(a=outUpto0, b=true, sel=instruction[0], out=muxGH);
    Mux(a=muxEF, b=muxGH, sel=instruction[1], out=muxEFGH);

    Mux(a=muxABCD, b=muxEFGH, sel=instruction[2], out=jmp);             // j1, j2, j3으로 가능한 점프 조건 결정
    
    And(a=instruction[15], b=jmp, out=PCload);                          // i * (해당하는 점프 조건) -> PC의 load비트
    Not(in=PCload, out=PCinc);                                          // PC의 load비트가 와 inc비트는 서로 반대다. 
    
    PC(in=address, load=PCload, inc=PCinc, reset=reset, out[0..14]=pc);     // A 레지스터에 저장된 주소값을 로드할지, 기존 명령어 주소를 increase할지 결정
}

5.3.2 메모리 칩

• 설계
  

• HDL 구현

CHIP Memory {
    IN in[16], load, address[15];
    OUT out[16];

    PARTS:
    DMux4Way(in=load, sel=address[13..14], a=ramA, b=ramB, c=screen, d=keyboard);           // 최상위, 차상위 비트로 어떤 메모리에 접근할지 결정된다. 
    Or(a=ramA, b=ramB, out=ram);                                                            // ramA와 ramB는 같은 16K 메모리이므로 합연산으로 load를 통일한다. 

    RAM16K(in=in, load=ram, address=address[0..13], out=ramOut);                            // ram의 선택비트는 1bit로 통일했기 때문에 주소값으로 14bit를 넘긴다. 
    Screen(in=in, load=screen, address=address[0..12], out=screenOut);                      // screen의 용량은 8K이므로 주소값으로 13bit를 넘긴다. 
    Keyboard(out=keyOut);
    Mux4Way16(a=ramOut, b=ramOut, c=screenOut, d=keyOut, sel=address[13..14], out=out);     // 최초 선택 비트로 접근한 메모리의 출력값을 out으로 넘긴다. 
}

5.3.3 컴퓨터 칩

• 설계
  
• HDL 구현

CHIP Computer {

    IN reset;

    PARTS:
    ROM32K(address=pc, out=instruction);      
    Memory(in=outM, load=writeM, address=addressM, out=inM);
    CPU(inM=inM, instruction=instruction, reset=reset, outM=outM, writeM=writeM, addressM=addressM, pc=pc);
}