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[혼공컴운] 2주차 - Chapter04~05

jylee3 2025. 1. 19. 20:36

Chapter04. CPU의 작동 원리

4-1 ALU와 제어장치

ALU

ALU는 계산 장치 이다.
ALU의 입력
- 계산을 위해선 피연산자와 수행할 연산이 필요하다.
- ALU는 레지스터를 통해 피연산자를 받아들이고, 제어 장치로부터 수행할 연산을 알려주는 제어 신호를 받아들인다.
ALU의 출력
- 연산 수행 결과는 특정 숫자, 문자, 메모리 주소가 될 수 있다.
- 결과값은 메모리에 저장되지 않고, 일시적으로 레지스터에 저장된다.
  
  (CPU가 메모리에 접근하는 속도는 레지스터 접근 속도 보다 훨씬 느리기에, 레지스터에 우선 저장)
- 계산 결과와 함께 플래그를 내보낸다.

플래그

: 연산 결과에 대한 추가 적인 상태 정보, 플래그 레지스터에 저장

부호 플래그
- 연산한 결과의 부호를 나타냄
- 1이면 음수, 0이면 양수
제로 플래그
- 연산 결과가 0인지 여부를 나타냄
- 1이면 0, 0이면 연산 결과가 0이 아님
캐리 플래그
- 연산 결과 올림수나 빌림수가 발생했는지 여부
- 1이면 발생, 0이면 미발생
오버플로우 플래그
- 오버플로우 발생 여부 체크
- 1이면 발생, 0이면 미발생
인터럽트 플래그
- 인터럽트 가능 여부 체크
- 1이면 가능, 0이면 불가능
슈퍼바이저 플래그
- 커널모드 실행인지, 사용자 모드 실행 중인지 체크
- 1이면 커널 모드, 0이면 사용자 모드

제어 장치

: 제어 신호를 내보내고, 명령어를 해석하는 부품,

입력
- 제어장치는 클럭 신호를 받아들인다.
- 제어장치는 명령어 레지스터에서 해석해야 할 명령어를 받아들인다.
- 플래그 레지스터 속 플래그 값을 받아들인다.
- 제어 장치는 시스템 버스, 그 중에서 제어버스로 전달된 제어 신호를 받아들인다.
출력
- CPU 내부에 전달하는 제어 신호
  - ALU 전달 제어신호
  - 레지스터 제어 신호
- CPU 외부에 전달하는 제어 신호
  - 메모리에 전달하는 제어신호
  - 입출력 장치에 전달하는 제어신호

4-2 레지스터

프로그램 카운터(PC)
- 메모리에서 가져올 명령어의 주소 저장
- 명령어 포인터 라고도 부른다.
명령어 레지스터
- 메모리에서 읽어들인 명령어를 저장하는 레지스터
메모리 주소 레지스터
- 메모리의 주소를 저장하는 레지스터
메모리 버퍼 레지스터
- 메모리와 주고 받을 값(데이터와 명령어)을 저장하는 레지스터
범용 레지스터
- 다양하고 일반 적인 상황에서 자유롭게 사용가능한 레지스터
플래그 레지스터
- ALU 연산 결과에 따른 플래그를 저장

스택 주소 지정 방식

: 스택과 스택 포인터를 이용한 주소 지정 방식

스택 포인터: 스택의 꼭대기를 가리키는 레지스터
메모리안에 스택처럼 사용할 영역이 저장되어 있다. 이를 스택 영역 이라 부른다.

변위 주소 지정 방식

: 오퍼랜드 필드의 값과특정 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

: 오처랜드와 베이스 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻는 방식

4-3 명령어 사이클과 인터럽트

명령어 사이클

: 하나의 명령어를 처리하는 정형화된 흐름

[ 인출 사이클 → 실행 사이클 ] : 이 한 주기 흐름의 반복
간접 사이클 : 오퍼랜드 필드가 간접 주소 지정 방식을 이용한 경우 명령어 실행을 위해 메모리에 한번 더 접근하는 단계

인터럽트

: CPU의 작업을 방해하는 신호.

동기 인터럽트 (= 예외)
- CPU에 의해 발생하는 인터럽트
- CPU가 실행하는 프로그래밍 상의 오류와 같은 예외적 상황이 발생한 경우
비동기 인터럽트 ( = 하드웨어 인터럽트)
- 막을 수 있는 인터럽트 : 주로 입출력 장치에 의해 발생
- 막을 수 없는 인터럽트 : 하드웨어 고장
- 인터럽트 서비스 루틴 (= 인터럽트 핸들러) : 인터럽트 처리를 위한 프로그램
  - 인터럽트 벡터 : CPU가 수많은 인터럽트 서비스 루틴을 구별하기 위한 정보
    - 인터럽트 서비스 루틴의 시작 주소 정보 확인 가능

Chapter05. CPU 성능 향상 기법

5-1 빠른 CPU를 위한 설계 기법

클럭

클럭 신호 높아지면, CPU 명령어 사이클이 빨라진다.
HZ 단위로 측정
클럭 속도만으로 CPU 성능을 올리기엔 한계가 존재

코어와 멀티코어

코어 : 명령어를 실행하는 부품
→ CPU : 명령어를 실행하는 부품들을 여러개 포함하는 부품

스레드와 멀티 스레드

스레드 : 실행 흐름의 단위
- 하드웨어적 스레드
  
  : 하나의 코어가 동시에 처리하는 명령어 단위
  - 멀티 스레드 프로세서 (멀티 스레드 CPU)
    : 하나의 코어로 명령어를 동시에 처리하는 CPU
- 소프트웨어적 스레드
  : 하나의 프로그램에서 독립적으로 실행되는 단위
  - 프로그램은 여러부분이 동시에 실행가능 하다.

멀티 스레드 프로세서

프로그램 카운터, 스택 포인터, 메모리 버퍼 레지스터, 메모리 주소 레지스터를 추가
프로그램 입장에선 스레드 여러개가 아닌, CPU가 여러개 있는 것 처럼 보인다.

5-2 명령어 병렬 처리 기법

: 명령어들을 동시에 처리하여 CPU들을 한시도 쉬지 않고 작동시키는 방법

명령어 파이프라인

: 같은 단계가 겹치지 않는다면, 각 단계를 동시에 실행할 수 있다.

파이프라인 위험

데이터 위험
: 데이터 의존성에 의해 발생
제어 위험

: 분기 등으로 인한 프로그램 카운터의 갑작스러운 변화에 의해 발생
- 분기 예측 : 제어 위험을 보완하는 기술
구조적 위험 (= 자원 위험)

: 서로 다른 명령어가 동시에 같은 CPU부품에 접근하려 할 때 발생

슈퍼스칼라

CPU 내부에 여러개의 명령어 파이프 라인을 포함한 구조
멀티슬드 프로세서 같은 경우 사용 가능

비순차적 명령어 처리

: 명령어를 순차적으로만 실행하지 않고, 순서를 바꿔 실행하여도 무방한 명령어를 먼저 실행하여 파이프라인이 멈추는 것을 방지하는 기법

5-3 CISC와 RISC

명령어 집합

ISA : CPU가 이해할 수 있는 명령어들의 모음.

서로 다른 CPU는 서로의 명령어를 이해할 수 없다.
명령어가 달라지면 어셈블리어도 달라진다.
ISA가 달라지면, CPU가 이해할 수 있는 어셈블리어도 달라진다.
사용한 컴파일러에 따라서도 어셈블리어가 달라질 수 있다.

CISC (Complex Instruction Set Computer)

: 복잡한 명령어 집합을 활용하는 컴퓨터

다양한 가변길이 명령어 활용
주소 지정 방식도 다양
컴파일 된 프로그램의 크기가 작다.
명령어의 크기와 실행되기까지의 시간이 일정하지 않다.
하나의 명령어를 실행하는 데 여러 클럭 주기를 필요로 한다.

RISC (Reduct Instruction Set Computer)

고정 길이 명령어를 이용
명령어가 규격화 되어 있고, 하나의 명령어가 1클럭 내외로 실행된다.
메모리 접근을 단순화 하고, 최소화
주소 지정 방식 종류가 적다.
레지스터를 적극적으로 활용한다.
CISC보다 많은 명령으로 프로그램을 작동시킨다.

기본 숙제

p.125번의 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.155번의 4번
answer : core