[혼공컴운] 2주차 - CPU의 작동 원리와 성능 향상 기법

※혼자 공부하는 컴퓨터구조 +운영체제 개인 공부 정리 내용입니다.

※진도는 하단의 혼공단 13기 커리큘럼을 참고해 주세요.

 

복습

CPU 내부 구성 요소

1. 산술논리연산장치 - ALU : Arithmetic Logic Unit 
2. 레지스터 - Register (CPU내부의 작은 임시 저장 장치)
3. 제어장치 - CU : Control Unit

 

진도

ALU

ALU 정보처리 표현 그림

ALU는 레지스터를 통해 피연산자를 받아들이고,
제어장치에서 수행할 연산을 알려주는 제어 신호를 받아들입니다.
그리고 결괏값과 플래그를 각각의 레지스터에 다시 보냅니다.

 

 

플래그

연산 결과에 대한 추가적인 상태 정보

1. 부호 플래그 - 플래그가 1 이면 음수, 0 이면 양수 
2. 제로 플래그 - 플래그가 1 이면 연산 결과가 0임을 의미
3. 캐리 플래그 - 플래그가 1 이면 올림수나 빌림수가 발생
4. 오버플로우 플래그 - 플래그가 1이면 오버플로우가 발생
5. 인터럽트 플래그 - 플래그가 1이면 인터럽트가 가능함을 의미
6. 슈퍼바이저 플래그 - 플래그가 1이면 커널 모드로 실행 중임을 의미, 0이면 사용자 모드로 실행 중임

*오버플로우는 연산 결과 값이 레지스터보다 큰 상황 (ex : 3.3333...)

 

 

제어장치

제어장치 정보처리 표현 그림

제어장치는 클럭 신호에 맞춰 다른 장치에 제어 신호를 보냅니다.
플래그 레지스터 속 플래그 값을 참고하여 제어 신호를 발생하며,
주로 명령어 레지스터에서 받은 명령어를 해석하여 실행하는 제어 신호를 보내거나 데이터 흐름을 제어합니다.
그래서 CPU 내/외부에 제어신호를 보내거나 때론 CPU 내부에서 제어신호를 받기도 합니다.  

*클럭은 일정한 주기로 생성되며, CPU의 성능은 클럭 속도에 영향을 받습니다. 속도가 빠를수록 좋음! 

 

 

레지스터

상용화된 CPU 속 레지스터들은 CPU마다 이름, 크기, 종류가 다양하다.

때문에 많은 CPU가 공통으로 포함하고 있는 8개의 레지스터이고, 역할에 집중할 것.

1. 프로그램 카운터 : 명령어 포인터 (명령어 주소) 
2. 메모리 주소 레지스터 : 메모리 주소
3. 메모리 버퍼 레지스터 : 메모리와 주고받을 값(데이터와 명령어)
4. 명령어 레지스터 : 해석할 명령어, 메모리에서 읽어 들인 명령어
5. 플래그 레지스터 : CPU상태에 대한 부가적인 정보 (플래그)
6. 범용 레지스터 : 다양하고 일반적인 상황에서 자유롭게 사용 가능
7. 스택 포인터 : 스택 주소 지정 방식에 사용 (스택 위치 = 포인터)
8. 베이스 레지스터 : 변위 주소 지정 방식에 사용 (오퍼랜드 필드 값 등)

 

명령어 사이클

프로그램 카운터 → 메모리 주소 레지스터  → 메모리 주소 →
메모리 주소에 있는 값을 메모리 버퍼 레지스터에 저장 → 프로그램 카운터 증가 →
메모리 버퍼 레지스터에 저장된 값이 명령어 레지스터로 이동

 

 

인터럽트

인터럽트 설명 그림

CPU가 수행 중인 작업을 방해하는 신호를 인터럽트 라고 합니다.
인터럽트의 종류는 크게 동기/비동기가 있으며
동기는 예외(exception)라고해서
예외적인 상황이 발생함에 따라 실행 중단 됩니다.
비동기는 하드웨어 인터럽트라도 하며
입출력장치에 의해 발생합니다. (ex: 프린트)

 

 

스레드 (실행 흐름의 단위)
소프트웨어적 스레드 : 하나의 프로그램에서 독립적으로 실행되는 단위 (메모리 연관)
하드웨어적 스레드 : CPU에서 정의된 스레드 (12 논리 프로세서 = 12 스레드)

하드웨어적 스레드 예시 - 시스템 정보

 

 

명령어 파이프라인 (명령어 처리 과정)

인출 (fetch) → 해석 (decode) → 실행 (execute) → 저장 (write back)

 

파이프라인의 위험

1. 데이터 위험 - 데이터 의존성
2. 제어 위험 - 분기 등 프로그램 카운터의 갑작스런 변화
3. 구조적 위험(자원 위험) - 명령어들이 겹쳐 실행하는 과정에서 발생 

 

비순차적 명령어 처리 (OoOE : out-of-order execution)

일명 합법적 새치기, 순서를 바꿔 실행해도 무방한 명령어를 먼저 실행하여 위험을 예방하는 처리 기법

 

ISA - Instruction Set Architecture

명령어 집합 또는 명령어 집합 구조는 일종의 CPU 언어로 하드웨어가 소프트웨어를 이해할지에 대한 약속입니다.
현대 ISA는 크게 2가지로 CISC와 RISC가 있습니다.

CISC - Complex Instruction Set Computer
명령어의 형태와 크기가 다양한 가변 길이 명령어를 활용합니다.
적은 수의 명령어으로도 프로그램을 실행시킬 수 있어서 메모리 공간을 절약 가능
복잡/다양성 때문에 실행 시간이 일정하지 않아 파이프라인 구현에 어려움,
대다수의 복잡한 명령어는 빈도수가 낮음.  

 

RISC -  Reduced Instruction Set Computer
CISC 개선판.
고정 길이 명령어를 활용.
명령어 파이프라인을 활용, 즉 명령어 길이와 수행 시간이 짧고 규격화
자주 쓰이는 기본적인 명령어를 작고 빠르게 만듬에 집중

 

---

기본 숙제

p.125 확인 문제 2번

플래그 레지스터 : 연산 결과 혹은 CPU 상태에 대한 부가 정보를 저장하는 레지스터

프로그램 카운터 : 메모리에서 가져올 명령어의 주소를 저장하는 레지스터
범용 레지스터 : 데이터와 주소를 모두 저장할 수 있는 레지스터
명령어 레지스터 : 해석할 명령어를 저장하는 레지스터

p.155의 확인 문제 4번

코어(core)

추가 숙제

코어 : 작업을 처리할 수 있는 단위 또는 한 번에 한 작업만 가능 (=싱글 코어)
멀티 코어 : CPU내에 여러 개 코어가 있음, 동시에 여러 작업이 가능

스레드 : 실행 흐름의 단위 또는 하나의 프로세스의 하나의 작업만 순차적으로 처리(=싱글 스레드)
멀티 스레드 : 하나의 프로세스의 여러 개 작업을 병렬처

 

---

공부 후기

동영상 강의를 들으면서 겨우겨우 한 느낌입니다. 양이 많네요.🫠  그리고 1주차에 메모리 다루는 것에 대해 어렵다고 느꼈는데 역시나 이번에도 만만치 않았습니다. CPU와 직/간접적으로 일해야 하는 모든 개발자분들께 박수드립니다.👏
전 그냥 돈 주고 비싼 CPU 사서 쓸래요.

 

혼공컴운 13기 커리큘럼

 

자료출처
[컴퓨터 공학 기초 강의] 9강. CPU의 내부 구성 - ALU와 제어장치

[컴퓨터 공학 기초 강의] 11강. 명령어 사이클과 인터럽트