[혼공컴운] 2주

💡 2주차 (Chapter 04~05) 정리

Chapter 4. CPU의 작동원리

• 04-1) ALU와 제어장치

  • ALU: CPU 내부에서 계산을 담당하는 부품
    레지스터로부터는 피연산자를, 제어장치로부터는 제어 신호를 받아 다양한 연산을 수행함.
    연산을 수행하여 그 결과와 플래그를 내보냄

    ** 플래그 : 연산 결과에 대한 추가적인 상태 정보. 대표적으로 부호, 제로, 캐리, 오버플로우, 인터럽트, 슈퍼바이저 플래그가 있음

  • 제어장치: 제어 신호를 내보내고 명령어를 해석하는 부품
    클럭, 현재 수행할 명령어, 플래그, 제어 신호를 받아들여 CPU 내부와 외부로 제어신호를 내보냄
    내부로는 ALU와 레지스터에 제어 신호를 내보내며 외부로는 메모리와 입출력장치에 제어신호를 내보냄

• 04-2) 레지스터

  • 주요 레지스터 :

    1. 프로그램카운터: 메모리에서 가져올 명령어의 주소를 저장

    2. 명령어 레지스터: 해석할 명령어를 저장

    3. 메모리 주소 레지스터: 메모리의 주소 저장

    4. 메모리 버퍼 레지스터: 메모리와 주고받을 데이터를 저장

    5. 플래그 레지스터: 연산결과 혹은 CPU 상태에 대한 부가 정보를 저장

    6. 범용 레지스터: 데이터와 주소를 모두 저장

    7. 스택 포인터: 스택 최상단의 위치를 저장

    8. 베이스 레지스터: 기준 주소의 역할을 하는 주소를 저장

       - 🤔 의문: 프로그램 카운터와 메모리 주소 레지스터의 차이?
       - 💡역할과 시점이 다르다!
       사실상 둘 다 주소를 저장하지만 프로그램 카운터는 "다음에 실행할 명령어가 어디 있는지 알려주는 지도", 메모리 주소 레지스터는: "이 주소에서 메모리로부터 뭔가를 가져오거나 저장하라고 지시하는 도구" 즉 PC는 제어 흐름용 주소, MAR은 실제 메모리 접근용 주소!

  • 특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식:

    1. 스택 주소 지정 방식: 스택과 스택 포인터를 이용하여 주소를 지정함
    2. 변위 주소 지정 방식: 오퍼랜드 필드의 값(변위)과 특정 레지스터 값을 더하여 유효 주소 지정함. 더해지는 레지스터 값의 종류에 따라 상대 주소 지정방식, 베이스 레지스터 주소 지정방식으로 나뉨
       • 상대 주소 지정 방식: 오퍼랜드와 프로그램 카운터의 값을 더하여 유효 주소를 얻음
       • 베이스 레지스터 주소 지정 방식: 오퍼랜드와 베이스 레지스터 값을 더하여 유효 주소를 얻음

• 04-3) 명령어 사이클과 인터럽트
  • 명령어 사이클: 프로그램 속 명령어들이 일정한 주기를 반복하며 실행되는 정형화된 흐름
    인출, 실행, 간접, 인터럽트 사이클로 구성됨
  • 인터럽트: 명령어 사이클의 흐름을 방해하는 신호
    • 동기 인터럽트(예외) : CPU에 발생하는 인터럽트.
      폴트, 트랩, 중단, 소프트웨어 인터럽트로 구성됨
    • 비동기 인터럽트(하드웨어 인터럽트) : 주로 입출력장치에 의해 발생.
      막을 수 있는 인터럽트와 막을 수 없는 인터럽트로 나뉨

Chapter 5. CPU 성능 향상 기법

• 05-1) 빠른 CPU를 위한 설계 기법

  • 클럭 속도 높이기 : 클럭 신호에 맞춰 컴퓨터 부품이 움직이므로 클럭 속도를 높이면 CPU도 빨라진다.
    따라서 일반적으로 클럭 속도가 높은 CPU는 일반적으로 성능이 좋다.
    그러나!! 클럭 속도를 높이면 발열 문제가 발생할 수 있으므로 클럭 속도만으로 CPU의 성능을 올리는데에는 한계가 존재한다

  • 멀티 코어 사용하기: CPU 내부의 코어를 늘려 명령어를 실행하는 부품 자체의 수를 늘려 CPU의 처리 속도를 높일 수 있다. 이처럼 코어를 여러개 포함하는 CPU를 멀티코어 CPU라고 함.
    그러나!! CPU의 연산속도가 반드시코어 수에 비례하여 증가하는 것은 아님.
    중요한건 코어마다 처리할 명령어를 분배하는 방식이고, 이에 따라 연산속도는 달라질 수 있다.

  • 멀티 스레드 사용하기: 스레드는 하드웨어적 스레드(하나의 코어가 동시에 처리하는 명령어 단위), 소프트웨어적 스레드(하나의 프로그램에서 독립적으로 실행되는 단위)로 구분할 수 있음. CPU적 측면인 하드웨어적 스레드의 관점에서, 하나의 코어에서 여러 하드웨어 스레드를 동시에 실행할 수 있는 능력을 멀티스레드 프로세서라고 함. 이는 프로그램의 입장에서 하나의 명령어를 처리하는 CPU가 여러개 있는 것이나 마찬가지! 즉 멀티스레드 프로세서란 하나의 코어로 여러 개의 명령어를 동시에 실행할 수 있는 CPU를 의미한다.

    용어	설명
    코어 (Core)	명령어를 실행할 수 있는 하드웨어 부품
    스레드 (Thread)	명령어를 실행하는 단위
    멀티코어 프로세서	명령어를 실행할 수 있는 하드웨어 부품이 CPU 내부에 두 개 이상 있는 CPU
    멀티스레드 프로세서	하나의 코어로 여러개의 명령어를 동시에 실행할 수 있는 CPU

• 05-2) 명령어 병렬 처리 기법

  • 명령어 파이프라인: 명령어 하나를 여러 단계로 나눠서, 각 단계를 연속적인 처리 장치(스테이지) 에서 순차적으로 처리하도록 구성한 구조. 명령어들을 명령어 파이프라인에 넣고 동시에 처리하는 기법을 명령어 파이프라이닝이라 함. 이를 통해 효율적으로 명령어를 처리할 수 있음. 그러나 특정 상황에서는 성능 향상에 실패하기도 함 이를 파이프라인 위험이라고 한다.

  • 파이프라인 위험:

    • 데이터 위험: 데이터 의존성에 의해 발생하는 위험. 1번 명령어가 수행완료되어야 2번 명령어를 수행할 수 있는 경우, 이런 데이터 의존적인 두 명령어를 동시에 실행하면 파이프라인이 제대로 작동하지 않는다. 이런 경우 발생하는 파이프라인 위험을 데이터 위험이라고 한다.
    • 제어 위험: 프로그램 카운터의 갑작스러운 변화에 의해 발생하는 위험. 분기로 인해 프로그램 카운터값이 갑작스럽게 변하면 미리 처리중이던 명령어는 쓸모가 없어짐. 이를 해결하기 위해 분기 예측 기술을 사용하기도 한다.
    • 구조적 위험: 명령어를 동시에 실행하는 과정에서 CPU부품을 동시에 사용하려고 할 때 발생하는 위험. 자원 위험이라고 부르기도 함.

  • 슈퍼스칼라 : CPU 내부에 여러 개의 명령어 파이프라인을 포함한 구조. 이론적으로는 파이프라인 개수에 비례하여 프로그램 처리 속도가 빨라지지만, 파이프라인 위험 등으로 인해 실제로 반드시 비례하여 빠라진다고 보기는 어렵다. 고도로 설계되어야 할 필요가 있음

  • 비순차적 명령어 처리(OoOE): 파이프라인의 중단을 방지하기 위해 명령어를 순차적으로 처리하지 않는 기법. 합법적 새치기!

    - 🤔의문: 멀티스레드도 여러개의 명령어를 동시에 처리, 슈퍼스칼라도 여러개의 명령어를 동시에 처리하는데 그럼 같은 개념인건가??
    - 💡NO! 서로 다른 층위의 개념이다!

    🧠 CPU 설계 계층 (상위 → 하위)

    1. 멀티코어 : CPU 안에 여러 개의 코어가 있음 ex: 4코어 CPU는 4개의 독립적인 연산 유닛
    2. 멀티스레딩 : 각 코어가 여러 개의 스레드를 동시에 처리 ex: 인텔 하이퍼스레딩 → 코어 하나가 2개 스레드 처리
    3. 슈퍼스칼라 구조 : 하나의 스레드 안에서 여러 명령어를 동시에 실행. 명령어 단위 병렬 처리
    4. 파이프라이닝 : 명령어 하나를 여러 단계로 나눠서 처리. 공장식 처리 방식으로 효율 향상

    계층도의 측면에서 보자면 아래와 같음

    CPU
    ├── 멀티코어 (여러 코어)
    │ └── 각 코어
    │ ├── 멀티스레딩 (여러 스레드)
    │ │ └── 각 스레드
    │ │ ├── 슈퍼스칼라 (동시 명령어 실행)
    │ │ └── 파이프라이닝 (단계별 명령어 처리)

    즉 멀티코어/멀티스레딩은 CPU의 큰 구조(상위 개념),
    슈퍼스칼라/파이프라이닝은 명령어 처리 방식(하위 개념)!!

• 05-3) CISC와 RISC

  • 명령어 집합: CPU가 이해하고 실행할 수 있는 기본적인 명령어들의 집합과 구조(ISA).
    어떤 명령어를 쓸 수 있는지, 레지스터가 몇 개인지, 메모리 접근 방식 등을 정의함

  • CISC와 RISC는 ISA의 두 가지 설계 철학이며, 각각 다른 방식으로 명령어 집합을 구성한 ISA를 만든다. CISC는 복잡하고 다양한 종류의 가변 길이 명령어 집합을 활용한다. CISC 는 명령어의 규격화가 어렵고, 사용 빈도가 낮은 명령어가 많이 존재함. 이런 문제를 해결하기 위해 단순하고 적은 종류의 고정 길이 명령어 집합을 활용하는 RISC가 등장함. ISA를 언어의 문법 체계라고 하면 CISC는 문장 하나에 많은 의미를 담는 방식, RISC = 짧은 단어로 명확하게 나누는 방식의 ISA라고 할 수 있다.

    🔍 요약 비교

    항목	CISC	RISC
    명령어 수	많음	적음
    명령어 길이	가변	고정
    주소 지정 방식	다양함	적음
    하드웨어	복잡	단순
    파이프라이닝	어려움	용이
    대표	x86	ARM, RISC-V

    - 🤔의문: CISC가 명령어도 많고 복잡한데 왜 적은 수의 명령어를 사용한다고 하고, RISC는 단순하고 적은 종류의 명령어를 쓰는데 왜 더 많은 수의 명령어를 사용한다고 할까? 뭔가 단순한 명령어를 사용하는 RISC가 사용하는 명령어 수가 적을 것 같은데....?
    - 💡NO!
    CISC는 복잡한 명령어 하나가 많은 일을 하므로, 프로그램 수행 시 필요한 명령어 수가 적다.
    RISC는 개별 명령어가 단순하기 때문에 프로그램 수행시 명령어를 더 많이 써야 한다.

✅ 기본 숙제

• 125p 확인문제 2번

• 155p 확인문제 4번

✅ 추가 숙제

코어, 스레드, 멀티코어, 멀티스레드

📝 위에서 정리한 표에 잘 설명해놓았다!