[혼공컴운] 2주차_복습은 필수(Ch 04 ~ 05)

04-1) ALU와 제어장치

• ALU : 계산기

  • 받아들이는 정보

    • 레지스터를 통해 피연산자

    • 제어장치로부터 제어 신호

  • 내보내는 정보

    • 연산 수행 결과 : 데이터, 메모리 주소

      ⇒ 일시적으로 레지스터에 저장 : CPU가 레지스터에 접근하는 속도가 메모리에 접근하는

속도보다 훨씬 빠르기 때문.

• 플래그 : 연산 결과에 대한 추가적인 정보

  • 부호 플래그 : 연산한 결과의 부호

    • 부호 플래그가 1이다 ⇒ 음수다!

  • 제로 플래그 : 연산 결과가 0인지 여부

    • 제로 플래그가 1이다 ⇒ 0이다!

  • 캐리 플래그 : 연산 결과 올림수나 빌림수가 발생했는지

  • 오버플로우 플래그 : 오버플로우가 발생했는지

  • 인터럽트 플래그 : 인터럽트가 가능한지

  • 슈퍼바이저 플래그 : 커널모드, 사용자 모드로 실행 중인지

오버 플로우 : 연산 결과를 담을 레지스터보다 연산 결과가 더 큰 상황

• 제어장치 : 제어 신호 내보내고, 명령어 해석

  • 받아들이는 정보

    • 클럭 신호

      • 클럭 : 컴퓨터의 모든 부품을 움직일 수 있게 하는 시간 단위

    • 해석해야 할 명령어

      • 명령어 레지스터

    • 플래그 레지스터 속 플래그 값

    • 시스템 버스 중 제어 버스로 전달된 제어 신호

  • 내보내는 정보

    • CPU 외부 : 제어 버스로 제어 신호 내보내기

      • 메모리에 전달

      • 입출력장치에 전달

    • CPU 내부

      • ALU에 전달

      • 레지스터에전달

04-2) 레지스터

• 프로그램 카운터 (=명령어 포인터) : 메모리에서 읽어 들일 명령어 주소

• 명령어 레지스터 : 해석할 명령어 저장 → 해석한 뒤 제어 신호 내보냄

• 메모리 주소 레지스터 : 메모리의 주소 저장

• 메모리 버퍼 레지스터(=메모리 데이터 레지스터) : 메모리와 주고받을 값(데이터와 명령어)

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일반적으로 프로그램 카운터는 꾸준히 증가하며 프로그램을 차례대로 실행하지만 명령어 중 JUMP,CONDITIONAL JUMP, CALL, RET 와 같이 특정 메모리 주소로 실행 흐름을 이동하는 명령어가 실행되면 순차적으로 프로그램이 실행되지 않는다. ⇒ 이때 프로그램 카운터에는 변경된 주소가 저장

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• 범용 레지스터 : 데이터와 주소를 모두 저장 가능

• 플래그 레지스터 : 연산 결과 또는 CPU 상태에 부가적인 정보 저장

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

  • 스택 포인터 : 스택의 꼭대기를 가리키는 레지스터 ( 스택에 마지막으로 저장한 값의 위치)

  • 스택 영역 : 스택은 메모리 안에 있으며 스택처럼 사용하기로 양속된 영역.

• 변위 주소 지정 방식 : 오퍼랜드 필드의 값(변위) + 특정 레지스터의 값 ⇒ 유효 주소를 얻어냄.

  • 상대 주소 지정 방식 : 오퍼랜드 프로그램 카운터의 값을 더하여

    • ex) 오퍼랜드가 -3 이었다면 명령어로부터 3번째 이전

  • 베이스 레지스터 주소 지정 방식 : 오퍼랜드와 베이스 레지스터의 값을 더하여

  • 베이스 레지스터 : 주소

  • 오퍼랜드 : 기준 주소로부터 떨어진 거리

    • ex) 오퍼랜드가 40, 베이스 레지스터가 200 이면 200번지부터 40 떨어진 240

04-3) 명령어 사이클과 인터럽트

• 명령어 사이클 : 하나의 명령어를 처리하는 정형화된 흐름(일정한 주기가 반복, 실행)

  • 인출 사이클: 명령어를 메모리에서 CPU로 가져오는 단계

  • 실행 사이클: CPU가 가져온 명령어 실행하는 단계

  • 간접 사이클 : 메모리 접근을 한 번 더 해야 하는 단계 (간접 주소 지정 방식)

• 인터럽트 : 이러한 흐름이 끊어지는 상황.

  • 동기 인터럽트 : CPU에 의해 발생하는 인터럽트 (=예외)

  • 비동기 인터럽트 : 입출력 장치에 의해 발생하는 인터럽트 (=하드웨어 인터럽트)

    • 입출력 작업 중에도 CPU로 하여금 효율적으로 명령어를 처리할 수 있게 함.

    • 인터럽트 요청 신호 : CPU에 물어보기

    • 인터럽트 플래그 : 인터럽트를 받아들일지 ,무시할지 결정

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

      • 인터럽트 벡터 : 인터럽트 서비스 루틴을 식별하기 위한 정보

05-1) 빠른 CPU를 위한 설계 기법

• 클럭

  • 클럭 속도 : 헤르츠(Hz) 단위로 측정 , 1초에 클럭이 몇 번 반복되는지

• 코어와 멀티코어

  • 코어 : CPU 내에서 명령어를 실행하는 ‘하드웨어’ 부품

  • 멀티 코어 : 여러개의 코어 , 멀티코어 CPU, 멀티코어 프로세서

• 스레드 : 명령어를 실행하는 단위

  • 하드웨어적 스레드 : 하나의 코어가 동시에 처리하는 명령어 단위

    • 멀티스레드 프로세서 = 멀티스레드 CPU : 하나의 코어로 여러 명령어 동시 처리

    • 논리 프로세서

  • 소프트웨어 적 스레드 : 하나의 프로그램에서 독립적으로 실행되는 단위

05-2) 명령어 병렬 처리 기법

• 명령어 병렬 처리 기법

  • 명령어 파이프라이닝

    • 같은 단계가 겹치지만 않는다면 CPU는 각 단계를 동시에 실행할 수 있음.

    • 파이프 라인 위험 : 특정 상황에서 성능 향상에 실패

      • 데이터 위험 : 데이터 의존성에 의해 발생

      • 제어 위험 : 프로그램 카운터의 갑작스러운 변화에 의해 발생

      • 구조적 위험 (= 자원 위험) : 서로 다른 명령어가 동시에 ALU, CPU 부품 사용할 때 발생

  • 슈퍼스칼라 : CPU 내부에 여러 개의 명령어 파이프라인을 포함한 구조

    • 슈퍼스칼라 프로세서 = 슈퍼스칼라 CPU

    • 반드시 파이프라인 개수에 비례하여 빨라지지 않음

  • 비순차적 명령어 처리(OoOE) : 명령어들을 순차적으로 실행하지 않는 기법

    • 순서를 바꿔 실행해도 무방한 명령어를 먼저 실행하여 파이프라인이 멈추는 것을 방지

05-3) CISC와 RISC

• ISA : 명령어 집합, 명령어 집합 구조

  • ISA는 일종의 CPU의 언어이다 왜?

    • 제어장치가 명령어를 해석하는 방식

    • 사용되는 레지스터의 종류의 개수

    • 메모리 관리 방법

    • CPU 하드웨어 설계에 모두 영향!

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• CISC : 복잡한 명령어 집합을 활용하는 컴퓨터

  • 가변 길이 명령어

  • 적은 수의 명령어로 프로그램 동작 → 메모리 공간 절약

  • 실행되기까지의 시간 일정하지 않음.

  • 여러 클럭 주기 필요

• RISC

  • 고정 길이 명령어

  • 명령어 규격화, 1클럭 내외로 실행

  • 레지스터 적극 활용

기본 숙제

• P 125의 2번

  • 플래그 레지스터

  • 프로그램 카운터

  • 범용 레지스터

  • 명령어 레지스터

• P 155의 4번

  • 코어