[혼공컴운] 2주차 Chapter 04~05

기본 미션

p.125의 확인 문제 2번 풀고 인증하기

2. 설명에 맞는 레지스터를 보기에서 찾아 빈칸을 채워 보세요.

   [보기] 프로그램 카운터, 명령어 레지스터, 플래그 레지스터, 범용 레지스터

• (1): 연산 결과 혹은 CPU 상태에 대한 부가 정보를 저장하는 레지스터
• (2): 메모리에서 가져올 명령어의 주소를 저장하는 레지스터
• (3): 데이터와 주소를 모두 저장할 수 있는 레지스터
• (4): 해석할 명령어를 저장하는 레지스터

정답
(1): 플래그 레지스터, (2): 프로그램 카운터, (3): 범용 카운터, (4): 명령어 레지스터

p.155의 확인 문제 4번 풀고 인증하기

4. 다음 그림은 멀티코어 CPU를 간략하게 도식화한 그림입니다. 빈칸에 알맞은 용어를 써 넣으세요.
   
   정답: 코어
   
   

선택 미션

ch.05 (5-1) 코어와 스레드, 멀티 코어와 멀티 스레드 개념 정리하기

코어: 명령어를 실행할 수 있는 '하드웨어 부품'
스레드: 명령어를 실행하는 단위
- 하드웨어적 스레드: 하나의 코어가 동시에 처리하는 명령어 단위
- 소프트웨어적 스레드: 하나의 프로그램에서 독립적으로 실행되는 단위
멀티 코어 프로세서: 명령어를 실행할 수 있는 하드웨어 부품이 CPU 안에 두 개 이상 있는 CPU (코어를 여러 개 포함하고 있는 CPU)
멀티 스레드 프로세서: 하나의 코어로 여러 개의 명령어를 동시에 실행할 수 있는 CPU

내용 정리

4-1. ALU와 제어장치

• ALU: 레지스터로부터 피연산자를 받아들이고, 제어장치로부터 제어 신호를 받아들임
  - 연산 결과와 플래그를 내보냄
• 제어장치: 클럭, 현재 수행할 명령어, 플래그, 제어 신호를 받아들임
  - CPU 내부와 외부로 제어 신호를 내보냄

플래그
: 연산 결과에 대한 추가적인 상태 정보

• 부호 플래그: 연산한 결과의 부호를 나타냄
• 제로 플래그: 연산 결과가 0인지 여부를 나타냄
• 캐리 플래그: 연산 결과 올림수나 빌림수가 발생했는지를 나타냄
• 오버플로우 플래그: 오버플로우가 발생했는지를 나타냄
• 인터럽트 플래그: 인터럽트가 가능한지를 나타냄
• 슈퍼바이저 플래그: 커널 모드로 실행 중인지, 사용자 모드로 실행 중인지를 나타냄

플러그는 플래그 레지스터라는 레지스터에 저장됨.

제어 장치
1. 클럭 신호를 받아들임
2. '해석해야 할 명령어'를 받아들임
3. 플래그 레지스터 속 플래그 값을 받아들임

4. 시스템 버스, 그 중에서 제어 버스로 전달된 제어 신호를 받아들임

---

4.2 레지스터

• 프로그램 카운터: 메모리에서 가져올 명령어의 주소 (메모리에서 읽어 들일 명령어의 주소)
• 명령어 레지스터: 해석할 명령어 (방금 메모리에서 읽어 들인 명령어)
• 메모리 주소 레지스터: 메모리의 주소를 저장
• 메모리 버퍼 레지스터: 메모리와 주고받을 값 (데이터와 명령어)
• 플래그 레지스터: 연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보
• 범용 레지스터: 다양하고 일반적인 상황에서 자유롭게 사용
• 스택 포인터: 스택의 꼭대기 가리킴
• 베이스 레지스터: 기준 주소 저장

메모리에 저장된 프로그램 실행 과정

1. 프로그램 카운터에 1000 저장 (1000번지에는 1101(2) 저장)
   -> 메모리에서 가져올 명령어가 1000번지에 있다는 것 의미

2. 1000번지를 읽어 들이기 위해 주소 버스가 1000번지 내보냄
   -> 메모리 주소 레지스터에 1000 저장

3. '메모리 읽기' 제어 신호와 메모리 주소 레지스터 값이 각각 제어 버스와 주소 버스를 통해 메모리로 보내짐

4. 메모리 1000번지에 저장된 값은 데이터 버스를 통해 메모리 버퍼 레지스터로 보내짐 (프로그램 카운터는 증가되어 다음 명령어를 읽어 들일 준비를 함)

5. 메모리 버퍼 레지스터에 저장된 값은 명령어 레지스터로 이동

6. 제어 장치는 명령어 레지스터의 명령어를 해석하고 제어 신호를 발생시킴

7. 1000번지 명령어 처리가 끝나면 CPU는 다음 명령어 (1001번지)를 읽어 들임
   -> 4단계에서 프로그램 카운터 값이 증가했기 때문에
   
   

특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식

(1) 스택 주소 지정 방식
: 스택과 스택 포인터를 이용한 주소 지정 방식

(2) 변위 주소 지정 방식
: 오퍼랜드 필드의 값(변위)과 특정 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻어내는 주소 지정 방식

1) 상대 주소 지정 방식
: 오퍼랜드와 프로그램 카운터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식

2) 베이스 레지스터 주소 지정 방식
: 오퍼랜드와 베이스 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식

---

4-3. 명령어 사이클과 인터럽트

• 명령어 사이클: 하나의 명령어가 처리되는 주기로, 인출, 실행, 간접, 인터럽트 사이클로 구성되어 있음
• 인터럽트: CPU의 정상적인 작업을 방해하는 신호
  - 예외와 하드웨어 인터럽트가 있음
• 인터럽트 서비스 루틴: 인터럽트를 처리하기 위한 동작들로 이루어진 프로그램

인터럽트

• 동기 인터럽트 (예외): CPU에 의해 발생하는 인터럽트
  ex) CPU가 실행하는 프로그래밍 상의 오류와 같은 예외적인 상황에 마주쳤을 때 발생하는 인터럽트
  
  
• 비동기 인터럽트 (하드웨어 인터럽트): 주로 입출력장치에 의해 발생하는 인터럽트
  ex) CPU가 프린터와 같은 입출력장치에 입출력 작업을 부탁하면 작업을 끝낸 입출력 장치가 CPU에 완료 알림 (인터럽트)을 보냄.
  키보드, 마우스와 같은 입출력장치가 어떠한 입력을 받아들였을 때 이를 처리하기 위해 CPU에 입력 알림 (인터럽트)을 보냄.
  
  

하드웨어 인터럽트 처리 순서

1. 입출력장치는 CPU에 인터럽트 요청 신호를 보냄

2. CPU는 실행 사이클이 끝나고 명령어를 인출하기 전 항상 인터럽트 여부를 확인함

3. CPU는 인터럽트 요청을 확인하고 인터럽트 플래그를 통해 현재 인터럽트를 받아들일 수 있는지 여부를 확인함

4. 인터럽트를 받아들일 수 있다면 CPU는 지금까지의 작업을 백업함

5. CPU는 인터럽트 벡터를 참조하여 인터럽트 서비스 루틴을 실행함

6. 인터럽트 서비스 루틴 실행이 끝나면 4에서 백업해 둔 작업을 복구하여 실행을 재개함 (스택에 백업해둠)
   
   

인터럽트 플래그
: 하드웨어 인터럽트를 받아들일지, 무시할지를 결정하는 플래그
-> '가능'으로 설정되어 있다면 CPU는 인터럽트 요청 신호를 받아들이고 인터럽트를 처리
모든 하드웨어 인터럽트를 인터럽트 플래그로 막을 순 없음
ex) 정전이나 하드웨어 고장으로 인한 인터럽트

인터럽트 서비스 루틴
CPU가 작업을 수행하는 도중 키보드 인터럽트가 발생한 경우, CPU는 인터럽트 벡터 (인터럽트 서비스 루틴을 식별하기 위한 정보)를 참조하여 키보드 인터럽트 서비스 루틴의 시작 주소를 알아내고, 이 시작 주소부터 실행해 나가며 키보드 인터럽트 서비스 루틴을 실행함.

키워드 정리

• 인터럽트 요청 신호: CPU의 작업을 방해하는 인터럽트에 대한 요청
• 인터럽트 플래그: 인터럽트 요청 신호를 받아들일지 무시할지를 결정하는 비트
• 인터럽트 벡터: 인터럽트 서비스 루틴의 시작 주소를 포함하는 인터럽트 서비스 루틴의 식별 정보
• 인터럽트 서비스 루틴: 인터럽트를 처리하는 프로그램

---

5-1. 빠른 CPU를 위한 설계 기법

• 클럭 속도가 높은 CPU는 빠르게 작동
• 코어: CPU 내에서 명령어를 (인출하고 해석하고) 실행하는 부품
• 멀티코어 프로세서: 여러 개의 코어를 포함하는 CPU
• 스레드: 하드웨어적 스레드와 소프트웨어적 스레드가 있음
• 멀티스레드 프로세서: 하나의 코어로 여러 개의 명령어를 동시에 실행할 수 있는 CPU

CPU의 성능을 높이는 방법
1. 클럭 속도 높이기

• CPU는 클럭 신호에 맞춰 작동함 (클럭 신호는 CPU의 속도 단위)
• 클럭 신호는 상황에 따라 속도를 조절함 (최대 클럭 속도를 강제로 더 끌어올리는 기법: 오버클럭킹)
  -> 클럭 신호를 높이면 컴퓨터 부품은 발열문제가 생김. 클럭 속도만으로 CPU의 성능을 올리는 것에는 한계가 있음

2. CPU의 코어와 스레드 수 늘리기
-> 코어의 개수와 성능이 무조건 비례하진 않음. 코어마다 처리할 명령어들을 얼마나 적절하게 분배하느냐에 따라 연산 속도가 크게 달라짐

스레드
: 실행 흐름의 단위

• 하드웨어적 스레드: 하나의 코어가 동시에 처리하는 명령어 단위 (논리 프로세서라 부르기도 함)
  - 멀티스레드 프로세서 (CPU): 여러 개의 하드웨어적 스레드를 지원하는 CPU
  -> 프로그램 카운터, 스택 포인터, 메모리 버퍼 레지스터, 메모리 주소 레지스터와 같이 하나의 명령어를 처리하기 위해 꼭 필요한 레지스터를 여러 개 가지고 있어야 함
  
  
  

• 소프트웨어적 스레드: 하나의 프로그램에서 독립적으로 실행되는 단위
  - 1코어 1스레드 CPU로도 프로그램의 여러 부분을 동시에 실행할 수 있음

---

5-2. 명령어 병렬 처리 기법

• 명령어 파이프라이닝: 동시에 여러 개의 명령어를 겹쳐 실행하는 기법
• 슈퍼스칼라: 여러 개의 명령어 파이프라인을 두는 기법
• 비순차적 명령어 처리 기법: 파이프라인의 중단을 방지하기 위해 명령어를 순차적으로 처리하지 않는 기법

명령어 파이프라인

• 명령어들을 명령어 파이프라인에 넣고 동시에 처리하는 기법
• CPU는 한 명령어를 '인출'하는 동안에 다른 명령어를 '실행'할 수 있고, 한 명령어가 '실행'되는 동안에 연산 결과를 '저장'할 수 있음
• 파이프라인 위험: 특정 상황에서는 성능 향상에 실패하는 경우도 있음
  - 데이터 위험: 명령어 간 데이터 의존성에 의해 발생
  명령어 1: R1 <- R2 + R3
명령어 2: R4 <- R1 + R5
  
  - 제어 위험: 주로 분기 등으로 인한 '프로그램 카운터의 갑작스러운 변화'에 의해 발생
  ex) JUMP, CALL, INTERRUPT
  -> 제어 위험을 방지하기 위해 사용하는 기술 중 하나가 분기 예측
  분기예측: 프로그램이 어디로 분기할지 미리 예측한 후 그 주소를 인출하는 기술
  
  - 구조적 위험: 명령어들을 겹쳐 실행하는 과정에서 서로 다른 명령어가 동시에 ALU, 레지스터 등과 같은 CPU 부품을 사용하려고 할 때 발생. 자원 위험이라고도 부름
  
  

슈퍼스칼라

• CPU 내부에 여러 개의 명령어 파이프라인을 포함한 구조
• 파이프라인 위험도의 증가로 인해 파이프라인 개수에 비례하여 처리 속도가 증가하진 않음
  
  

비순차적 명령어 처리

: 명령어를 순차적으로만 실행하지 않고 순서를 바꿔 실행해도 무방한 명령어를 먼저 실행하여 명령어 파이프라인이 멈추는 것을 방지하는 기법

---

5-3. CISC와 RISC

• ISA (Instruction Set Architecture): CPU의 언어이자 하드웨어가 소프트웨어를 어떻게 이해할지에 대한 약속
• CISC: 복잡하고 다양한 종류의 가변 길이 명령어 집합을 활용
• RISC: 단순하고 적은 종류의 고정 길이 명령어 집합을 활용

명령어 집합 (instruction set) 또는 명령어 집합 구조 (ISA: Instruction Set Architeture)
: CPU가 이해할 수 있는 명령어들의 모음

명령어의 세세한 생김새, 명령어로 할 수 있는 연산, 주소 지정 방식 등은 CPU마다 조금씩 차이가 있음
-> CPU마다 ISA가 다를 수 있음
-> CPU가 이해하는 명령어가 달라지면 제어장치가 명령어를 해석하는 방식, 사용되는 레지스터의 종류와 개수, 메모리 관린 방법 등 많은 것이 달라짐
-> CPU 하드웨어 설계에도 큰 영향을 미침

ISA는 CPU의 언어임과 동시에 CPU를 비롯한 하드웨어가 소프트웨어를 어떻게 이해할지에 대한 약속

CISC (Complex Instruction Set Computer)
: 복잡한 명령어 집합을 활용하는 컴퓨터

• 복잡하고 다양한 수의 가변 길이 명령어 집합을 활용함
• CISC 기반의 ISA: x86, x86-64
• 다양한 주소 지정 방식
• 프로그램을 이루는 명령어의 수가 적음 (컴파일된 프로그램의 크기가 작음)
• 여러 클럭에 걸쳐 명령어 수행 (명렁어의 크기와 실행되기까지의 시간이 일정하지 않음)
• 파이프라이닝하기 어려움

적은 수의 명령어만으로도 프로그램을 동작시킬 수 있기 때문에 메모리 공간을 절약할 수 있다는 장점
-> 메모리를 최대한 아끼며 개발해야 했던 시절에 인기가 높았음

CISC의 한계

• 명령어의 규격화가 어려워 파이프라이닝이 어려움
  -> 명령어 길이와 수행 시간이 짧고 규격화되어 있어야 함
• 대다수의 복잡한 명령어는 그 사용 빈도가 낮음
  -> 복잡한 기능을 지원하는 명령어를 추가하기보다는 자주 쓰이는 기본적인 명령어를 작고 빠르게 만드는 것이 중요

-> RISC의 등장

현대 CPU 설계에서는 CISC가 실제 실행될 때, 내부에서 더 작게 쪼개서 실행함. 내부적으로는 RISC처럼 동작함

RISC (Reduced Instruction Set Computer)

• RISC 기반의 ISA: ARM
• CISC에 비해 명령어의 종류가 적음
• 단순하고 적은 고정 길이 명령어 (짧고 규격화된 명령어) 집합을 활용
• 적은 주소 지정 방식 (load-store 구조: 메모리에 직접 접근하는 명령어를 load, store 두개로 제한)
• 프로그램을 이루는 명령어의 수가 많음 (레지스터를 적극적으로 활용)
• 1클럭 내외로 명령어 수행
• 파이프라이닝하기 쉬움