overview

컴퓨터의 구성

1. 어플리케이션 소프트웨어
   • high-level language
2. 시스템 소프트웨어
   • compiler
     -HLL(high-level language) code를 기계어로 변환
   • Operating System(OS)
     -사용자 프로그램과 하드웨어 간의 인터페이스 역할
     -각종 서비스와 감독 기능
     -기본적 입출력 작업의 처리
     -보조기억장치 및 메모리 할당
     -컴퓨터를 동시에 사용하는 여러 응용들 간의 컴퓨터 공유 방법 제공
3. 하드웨어
   -processor, memory, I/O controllers(Input/output)

프로그램 언어 레벨

• high-level language

  • c, c++,자바와 같이 단어와 수식으로 구성되는 이식성 있는 언어.
    컴파일러가 어셈블리어로 번역할 수 있다.

• Assembly language

  • 기계 명령어를 기호로 표현한것
  • 어셈블러가 기계어로 번역해준다.

• Hardware representation

  • 기계 명령어의 이진표현

컴퓨터의 구성요소

• 모든 컴퓨터의 구성요소
  • 데스크탑,서버,임베디드
• I/O 요소
  • User-interface 장치
    • Display, keyboard, mouse
  • 저장장치
    • Hard disk, CD/DVD, flash
  • 네트워크 어뎁터

CPU (프로세서)

• 프로그램의 지시대로 일을 하는 부분, 가장 역동적
• 숫자를 더하고, 검사하고, 입출력장치에 신호를 보내 작동을 지시
• 데이터패스(근육) + 제어 유닛(두뇌)
  • 데이터패스 : 연산수행
  • 제어 유닛 : 명령어가 뜻하는 바에 따라 데이터패스, 메모리,입출력 장치가 할일을 지시

추상화

• 제일 중요한 추상화중 하나는 하드웨어와 최하위 소프트웨어 간의 인터페이스이다. --->명령어 집합 구조(ISA)
• ISA(Instruction set architecture)
  • 이진 기계어 작성을 위해 프로그래머가 알아야할 것들이 모두 포함
    • 입출력 작업, 메모리할당 및 기타 저수준 시스템 기능의 세부사항, 보통 운영체제(OS)가 감추어서 프로그래머가 이러한 세세한 걱정 안해도 되게 해준다.
• ABI(application binary interface)
  • ISA + System software interface(운영체제 인터페이스)
• Implementation(구현)
  • 구조 추상화를 준수하는 하드웨어

메모리

• Volatile main memory
  • 전원이 꺼지면 instruction과 data가 손실됨
  • DRAM
• Non-volatile secondary memory
  • Magnetic disk
  • Flash memory
  • Optical disk(CDROM,DVD)

네트워크

• 통신

  • 컴퓨터끼리 고속으로 정보 주고받음

• 자원 공유

  • 컴퓨터마다 입출력장치를 따로따로 갖출 필요 없이 네트워크상의 모든 컴퓨터가 입출력 장치를 공유할 수 있다.

• LAN(Local area network)

  • Ethernet : 근거리 네트워크, 같은 건물에서 쓰기에 유리,
    거리: 1km, 초당 40기가비트

• WAN(Wide area network)

  • Internet: 원거리 네트워크, 여러 대륙 연결 world wide web 지원, 광섬유로 구성, 통신회사에서 임대해줌

• Wireless network

  • WiFi, Bluetooth

프로그램 컴파일

• 프로그램
  • high-level 프로그래밍 언어로 쓰여짐
• 컴파일러
  • 프로그램을 어셈블리어로 변환
  • parsing : compile 과정에서 특정 프로그램 언어의 문법을 검사하는 것
  • 최적화

Assembly & Machine Language

• 어셈블리어
  • 사람이 읽을 수 있는 표현
• 기계어
  • 기계가 읽을 수 있는 표현
  • 1,0(보통 16진수로 보여줌)
• 어셈블러
  • 어셈블리어를 기계어로 번역

Instruction Codes

• 프로그램
  • (machine)instruction 나열
• (machine) instructions
  • 특정한 operation을 하라고 컴퓨터에게 알려주는 bit로 된 그룹
• instruction들은 메모리에 저장된다.

Example of Instruction Codes

• Load
  • 메모리에 저장된 data를 register로 load 한다.
• Store
  • register에 있는 data를 memory에 저장한다.
• Add
  • 두개의 숫자들을 register에 저장한다.
• Increment
  • register에 저장된 한 숫자를 증가시킨다.
• Clear
  • 레지스터에 값을 0으로 초기화한다.

컴퓨터가 instruction들을 실행하는 방법

1. 메모리에 저장된 instruction
2. 메모리로부터 instruction을 읽어서 CPU로 간다.

• 프로세서(program counter)<------> main memory(program A,data A)<-------> hard disk(program A)
• main memory에 processor 가 접근해서 data를 load/store를 한다.
  -hard disk도 main memory에 접근해서 I/O 를 한다.

성능

application 성능 지표

• Response Time
  • task 처리에 걸리는 시간
• Throughput(처리량)
  • Total work per unit time
• Performance = 1/Execution Time
• X 가 Y보다 n 배 빠르다.
  • PerformanceX / PerformanceY = Execution timeY / ExecutionX = n
• Example : 프로그램 실행하기 위해 걸리는 시간
  • A : 10초, B: 15초
  • Execution TimeB / Execution TimeA = 15s / 10s = 1.5
  • A가 B보다 1.5배 빠르다.
• Elapsed time
  • 시작 ~ 끝까지 걸리는 시간
    • processing, I/O, OS overhead(OS를 사용한다는것), idle time(공회전 시간)
  • System performance를 결정
• CPU time
  • CPU만 사용하는데 걸린시간
  • I/O time, 다른 프로그램 실행하는데 걸리는 시간 제외
  • 프로그램에 컴퓨터 시스템의 성능 중 민감하게 영향을 받는 부분이 서로 다르다

CPU CLOCK

• digital system이 operate하고 있다.(사람 심장처럼)
• clock cycle : clock의 시간 간격
• clock period : 한 clock cycle에 걸리는 시간
  • ex)$250ps = 0.25ns = 250 \times 10^{-12}s$
• clock frequency(rate): 초당 cycles수
  • ex)4GHz = 4000MHZ = $4.0\times 10^9$Hz

CPU Time

• CPU execution time(CPU time)

  • CPU가 일처리하는데 걸리는 시간
  • I/O, 다른 프로그램 실행하는데 걸리는 시간 제외

• $CPU time = CPU Clcok Cycles \times Clock Cycle Time \\ = \frac {CPUClock Cycles} {Clock Rate}$

• 사용자 CPU시간

  • 프로그램 자체에 소비된 CPU시간

• 시스템 CPU시간

  • 프로그램의 수행을 위해서 운영체제가 소비한 CPU시간

• 문제

  • 2GHz 클럭의 컴퓨터 A에 10초에 수행되는 프로그램이 있다.
    이 프로그램을 6초 동안에 실행할 컴퓨터B를 만들고자 한다. 클럭속도는 얼마든지 빠르게 만들 수 있는데, 이렇게 하면 CPU다른 부분의 설계에 영향을 미쳐 같은 프로그램에 대해 A보다 1.2배 많은 클럭 사이클이 필요하게 된다고 한다. 컴퓨터 B의 클럭 속도는 얼마로 해야 할까?
    
  • $CPU시간\times clock 속도 = CPU clock cycle수$
  • A CPU clock cycle수 = 20
  • B: $CPU시간(6)\times Clock속도(클럭사이클이 1.2배 많아지므로, 1.2배 느려짐)$
  • $$20 = 6\times \frac {B Clock속도}{1.2}$
  • B Clock속도 = 4
  • 1.2배 많은 클럭 사이클이 필요하다는건 instruction을 처리하는데 1.2배의 클럭사이클이 더 필요하다-> 더 오래걸린다.

Instruction Count and CPI

• CPI : clock cylcle per instruction(명령어당 클럭 사이클 수)

• 컴파일러가 코드를 효율적으로 컴파일 해줘야 필요한 instruction이 줄어든다.

• instruction마다 CPI가 다르다.

• $Clock Cycles = Instruction Count(instruction 수) \times Cycles per Instruction(instruction 평균 cycle수)$

• $CPU time = InstructionCount\times CPI \times ClockCycleTime$

• $CPU time = \frac {InstructionCount\times CPI}{ClockRate}$

• ex) 컴퓨터 A의 클럭 사이클 시간은 250ps이고 어떤 프로그램에 대한 CPI는 2.0이며, 컴퓨터 B의 클럭 사이클 시간은 500ps,CPI는 1.2이다 이프로그램에 관해서는 어떤 컴퓨터가 얼마나 더 빠른가?

A: 클럭사이클시간: 250 CPI 2.0 곱하면 5000
B: 클럭사이클시간: 500 CPI 1.2 곱하면 6000
B가 $\frac 6 5$만큼 더 시간이 오래걸리므로 A가 $\frac 6 5$배 더빠름

CPI Example

class	A	B	C
CPI for class	1	2	3
IC int sequence 1	2	1	2
IC in sequence 2	4	1	1

• IC = Instruction Count

• Sequence 1 : IC = 5 //sequence 1의 총합

  • $ClockCycles = 2\times 1 + 1\times2+2\times3 = 10$
  • Avg.CPI = 10/5 = 2.0

• sequence 2 : IC = 6

  • $ClockCycles = 4\times1+1\times2+1\times3 = 9$
  • Avg.CPI = 9/6 = 1.5

• CPU Time $= \frac {Instruction}{Program}\times\frac{Clock cycles}{Instruction}\times\frac{Seconds}{Clock cycle}$

• performance에 영향을 주는것들

  • Alogritm: IC,CPI
  • 프로그래밍 언어: IC, CPI
  • Complier : IC, CPI
  • Instruction의 구조 :CPI,IC,Clock rate.

  전력장벽

  • CMOS(반도체에서 사용)가 에너지를 사용하는 주된 원인은 동적 에너지
    
  • 동적에너지: 트랜지스터가 0 에서 1로 혹은 그반대로 스위칭 하는 동안에 소비되는 에너지
  • 에너지 ∝ Capacitive(용량성 부하) $\times Voltage^2$
  • 전력 ∝ Capacitive(용량성 부하) $\times Voltage^2 \times Frequency(스위칭 빈도)$
  • 스위칭 빈도:0과 1로 바뀌는 빈도 ,Clock 속도 함수
  • 전압에 영향을 많이 받는다.
  • 복잡한 구형 프로세서와 비교해 용량성 부하가 85%인 신형 프로세서를 개발하였다고 하자. 신형 프로세서는 가변전압 기능이 있어서, 구형에 비해 전압을 15% 줄일 수 있었고 따라서 주파수도 15% 낮추었다면,동전력에는 어떤 영향을 미쳤겠는가?
    • $Capacitive(0.85)\times voltage^2(0.85^2)\times 스위칭 빈도(0.85)$
    • $0.85^4 = 0.52$
  • 오늘날의 문제는 전압을 더 이상 낮추면 트렌지스터 누설 전류가 너무 커진다는 것. 이는 꽉 잠기지 않은 수도꼭지와 같다.
  • 전력장벽에 부딪힌 컴퓨터 설계자들은 multi processor를 만들기 시작한다.

멀티프로세서

• 마이크로 프로세서: 여러개의 프로세서를 집적

• 프로세서와 마이크로 프로세서 용어 혼란 줄이기 위해 프로세서를 '코어' 라고 부름

• 마이크로프로세서를 '멀티코어 마이크로프로세서'라고 부르기 시작

• 쿼드 코어 마이크로프로세서는 4개의 프로세서,즉 4개의 코어를 포함한 칩

• 병렬성

  • 명령어 수준 병렬성
    • 파이프라이닝:명령어 실행을 중첩시켜서 프로그램을 빠르게 실행시킨다.
  • 프로그래머가 병렬 프로그램 작성이 어려운 이유
    • 병렬 프로그램은 성능을 중요시 하는 프로그램, 프로그래밍의 어려움을 가중시킨다.
    • 각 프로세서에 비슷한 양의 일을 처리하도록 해야 빨리 처리할 수 있다. 이게 어려움.
    • 통신 및 동기화 오류 줄이기위한 주의 필요

Amdahl's Law

• 설계자들이 자주하는 실수

  • 컴퓨터의 한부분만 개선하고 개선된 양에 비례해서 전체 성능이 좋아지리라 기대하는 것.

• 개선후 실행시간 $= \frac {개선에 의해 영향을 받는 실행시간}{개선의 크기}$ + 영향을 받지 않는 실행시간

• 예를 들어, 어떤 컴퓨터에서 100초 걸리는 프로그램이 있는데, 그중 80초는 곱하기 계산에 소요된다 가정하자. 이프로그램이 다섯배 빠르게 실행되려면 곱셈 속도를 얼마나 개선해야 할까?

  • 개선후 실행시간 = $\frac{80초}n + (100 - 80)초$
  • 20초 = $\frac {80초}n + 20초$
  • 0초 = $\frac {80초}n$
  • 곱셈이 전체부하의 80%인경우, 아무리 빨리하더라도 전체 성능을 다섯배로 증가시킬 수 없다.
    - 이때문에 제일 많이 사용하는 프로그램은 최적화 해야한다.

MIPS

• MIPS(million instructions per second)
• MIPS = $\frac{명령어개수}{실행시간\times10^6}$
• MIPS = $\frac{명령어개수}{\frac{명령어개수\times CPI}{클럭속도}\times 10^6}$
• 프로그램의 실행 속도를 백만 개의 명령어 단위로 나타내는 척도
• 예제)

  • 측정값	컴퓨터 A	컴퓨터 B
    명령어개수	100억	80억
    클럭속도	4GHz	4GHz
    CPI	1.0	1.1

  • 어느 컴퓨터가 MIPS가 더 높은가
    실행시간은 클럭속도에 반비례하고 CPI에 비례한다. 따라서,
    명령어개수 $\times$클럭속도/CPI 가 높은것이 MIPS가 높다.