[혼자 공부하는 컴퓨터구조+운영체제] Chapter 4 - 5

Chapter 4. CPU의 작동 원리

목표
- ALU와 제어장치에 대해 학습한다.
- 레지스터의 종류와 역할에 대해 학습한다.
- 명령어 사이클을 이해한다.
- 인터럽트의 개념을 이해한다.

05. ALU와 제어장치

1. ALU

- CPU 내부에서 계산을 담당

- 피연산자와 제어신호로 다양한 연산을 수행

- 플래그 : 연산 결과에 대한 추가적인 상태 정보 ex. 결괏값이 음수, 결괏값이 오버플로우 됨

플래그 종류	의미	사용 예시
부호 플래그	연산한 결과의 부호를 나타낸다.	부호 플래그가 1일 경우 계산 결과는 음수, 0일 경우 계산 결과는 양수를 의미한다.
제로 플래그	연산 결과가 0인지 여부를 나타낸다.	제로 플래그가 1일 경우 연산 결과는 0, 0일 겨웅 연산 결과는 0이 아님을 의미한다.
캐리 플래그	연산 결과 올림수나 빌림수가 밠행했는지를 나타낸다.	캐리 플래그가 1일 경우 올림수나 빌림수가 발생했음을 의미하고, 0일 경우 발생하지 않았음을 나타낸다.
오버플로우 플래그	오버플로우가 발생했는지를 나타낸다.	오버플로우 플래그가 1일 경우 오버플로우가 발생했음을 의미하고, 0일 경우 발생하지 않았음을 의미한다.
인터럽트 플래그	인터럽트가 가능한지를 나타낸다. 인터럽트는 04-3절에서 설명한다.	인터럽트 플래그가 1일 경우 인터럽트가 가능함을 의미하고, 0일 경우 인터럽트가 불가능함을 의미한다.
슈퍼바이저 플래그	커널 모드로 실행 중인지, 사용자 모드로 실행 중인지를 나타낸다. 커널 모드와 사용자 모드는 09장에서 설명한다.	슈퍼바이저 플래그가 1일 경우 커널 모드로 실행 중임을 의미하고, 0일 경우 사용자 모드로 실행 중임을 의미한다.

- 플래그 레지스터 : 플래그를 저장하는 레지스터

 

2. 제어장치

- 제어장치 : 제어 신호를 내보내고, 명령어를 해석하는 부품

- 제어 신호 : 컴퓨터 부품들을 관리하고 작동시키기 위한 일종의 전기 신호

- 제어장치가 받아들이는 정보의 종류

    - 클럭 신호

        - 쿨럭: 컴퓨터의 모든 부품을 움직일 수 있게 하는 시간 단위

    - 해석해야 할 명령어

        - 명령어 레지스터: cpu가 해석해야 할 명령어를 저장하는 레지스터

    - 플래그 값

    - 제어 신호 : 제어 버스로 전달됨

06. 레지스터

1. 프로그램 카운터 = 명령어 포인터

- 메모리에서 읽어 들일 명령어의 주소를 저장

 

2. 명령어 레지스터

- 메모리에서 읽어 들인 명령어를 저장

 

3. 메모리 주소 레지스터

- 메모리의 주소를 저장

 

4. 메모리 버퍼 레지스터

- 메모리와 주고 받을 값(데이터와 명령어)을 저장하는 레지스터

 

5. 범용 레지스터

- 다양하고 일반적인 상황에서 자유롭게 사용할 수 있는 레지스터

- 일반적으로 CPU 내부에 여러 범용 레지스터가 존재

 

6. 플래그 레지스터

- 연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보를 저장하는 레지스터

 

7. 스택 포인터

- 스택에 마지막으로 저장한 값의 위치를 저장하는 레지스터

- 스택 주소 지정 방식 : 스택과 스택 포인터를 이용한 주소 지정 방식

 

8. 변위 주소 지정 방식

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

- 상대 주소 지정 방식 : 오퍼랜드와 프로그램 카운터의 값을 더하여 유효 주소를 얻어내는 방식

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

 

07. 명령어 사이클과 인터럽트

1. 명령어 사이클

- 하나의 명령어를 처리하는 정형화된 흐름

- 명령어가 실행되며 반복하는 일정한 주기

- 인출 사이클 : 메모리에 있는 명령어를 cpu로 가지고 오는 단계

- 실행 사이클 : cpu로 가져온 명령어를 실행하는 단계

- 간접 사이클 : 명령어를 실행하기 위해 메모리 접근을 한번 더 하는 단계

 

2. 인터럽트

- 명령어의 흐름이 끊어지는 상황

- CPU의 작업을 방해하는 신호

- 인터럽트의 종류

동기 인터럽트(예외)	비동기 인터럽트(하드웨어 인터럽트)
- CPU에 의해 발생 - CPU가 실행하는 프로그래밍상의 오륲와 같은 예외적인 상황에서 발생	- 입출력 장치에 의해 발생 - 프린트 완료 등 알림 역할 - 명령어를 효율적으로 실행하기 위해 사용

 

3. 하드웨어 인터럽트

- 인터럽트 요청 신호

- 인터럽트 플래그 : 일반적으로 요청 수용을 위해선 활성화 되어있어야 함

- 인터럽트 벡터 : 인터럽트 서비스 루틴 구분을 위한 정보

- 인터럽트 서비스 루틴 = 인터럽트 핸들러 : 인터럽트를 처리하기 위한 프로그램

 

4. 예외

- 폴트 falut : 예외를 처리한 직후 예외가 발생한 명령어부터 실행을 재기하는 예외

- 트랩 trap : 예욀르 처리한 직후 예외가 발생한 명령어의 다음 명령어부터 실행을 재개하는 예외 ex. 디버깅

- 중단 abort : CPU가 실행 중인 프로그램을 강제로 중단시캬애 힐 때

- 소프트웨어 인터럽트 software interrupt : 시스템 호출이 발생했을 때

 

Chapter 5. CPU 성능 향상 기법

목표
- 빠른 CPU를 위한 설계 기법을 학습한다..
- 빠른 CPU를 위한 명령어 병렬 처리 기법을 학습한다.
- RISC와 CISC의 차이에 대해 이해한다.

08. 빠른 CPU를 위한 설계 기법

1. 클럭

- 클럭 속도

    - 헤르츠(Hz) 단위로 측정

    - 클럭 속도만으로 CPU의 성능을 올리는 것에는 한계가 있음

 

2. 코어

- 명령어를 실행하는 부품

 

3. 멀티코어

- 여러 개의 코어를 포함하는 CPU

 

4. 스레드

- 실행 흐름의 단위

- 하드웨어적 스레드 : CPU에서 사용

    - 멀티스레드 프로세서(CPU) : 하나의 코어로 여러 명령어를 동시에 처리함

    - 하이퍼스레딩 : 인텔의 멀티스레드 기술

- 소프트웨어적 스레드 : 프로그램에서 사용

 

5. 명령어 병렬 처리 기법

- 명령어를 동시에 처리하여 CPU를 한시도 쉬지 않고 작동시키는 기법

- 명령어 파이프 라이닝

    - 명령어 인출 Instruction Fetch

    - 명령어 해석 Instruction Decode

    - 명령어 실행 Execute Instruction

    - 결과 저장 Write Back

- 슈퍼스칼라

- 비순차적 명령어 처리

 

6. 파이프라인 위험

- 데이터 위험

    - 명령어 간 데이터 의존성에 의해 발생

- 제어 위험

    - 분기 등으로 인한 '프로그램 카운터의 갑작스러운 변화'에 의해 발생

    - 분기 예측 : 프로그램이 어디로 분기할지 미리 예측한 후 그 주소를 인출하는 기술

- 구조적 위험(자원 위험)

    - 명령어들을 겹쳐 실행하는 과정에서 서로 다른 명령어가 동시네 ALU, 레지스터 등과 같은 CPU 부품을 사용하려고 할 때 발생

 

7. 슈퍼스칼라

- CPU 내부에 여러 개의 명령어 파이프라인을 포함한 구조 ex. 공장 라인을 여러개 두는 상태

- 파이프라인 위험을 방지하기 위해 고도로 설계되어야 함

 

8. 비순차적 명령어 처리

- 순서를 바꿔 실행해도 무방한 명령어를 먼저 실행하여 명령어 파이프라인이 멈추는 것을 방지하는 기법

 

09. CISC와 RISC

1. 명령어 집합(명령어 집합 구조 = ISA)

- CPU가 이해할 수 있는 명령어들의 모음

 

2. CISC

- 복잡한 명령어 집합을 활용하는 컴퓨터(CPU) ex. x86, x86-64

- 가변 길이 명령어 : 명령어의 형태와 크기가 다양함

- 메모리를 최대한 아끼며 개발해야할 때 효율적

 

3. RISC

- CISC의 한계를 극복하기 위해 활용

- 고정 길이 명령어 : 단순하고 적은 수의 명령어 집합

- 메모리 접근의 단순화, 최소화 추구

CISC	RISC
복잡하고 다양한 명령어	단순하고 적은 명령어
가변 길이 명령어	고정 길이 명령어
다양한 주소 지정 방식	적은 주소 지정 방식
프로그램을 이루는 명령어의 수가 적음	프로그램을 이루는 명령어의 수가 많음
여러 클럭에 걸쳐 명령어 수행	1클럭 내외로 명령어 수행
파이프라이닝하기 어려움	파이프라이닝하기 쉬움