[혼공컴운] Ch 4~5 CPU의 작동 원리 및 CPU 성능 향상 기법

Chapter 4
CPU의 작동 원리

4-1. ALU와 제어장치

지난 주에 CPU가 메모리에 저장된 명령어를 읽어들이고, 해석하고, 실행하는 CPU에 대해 정리했다. 이 CPU 내부에는 계산을 담당하는 ALU와 명령어를 읽어들이고 해석하는 제어장치, 작은 임시 저장 장치인 레지스터가 있다. 

ALU 

• ALU는 레지스터를 통해 피연산자를 받아들이고, 제어장치로 부터 수행할 연산을 알려주는 제어신호를 받아들임.
• 레지스터와 제어장치로부터 받아들인 피연산자와 제어 신호로 산술 연산, 논리 연산 등 다양한 연산을 수행.
• 연산 결과는 메모리에 저장되지 않고 일시적으로 레지스터에 저장 (cpu 프로그램 실행속도 늦어지는거 방지)

플래그

플래그 레지스터에 저장되는 연산 결과에 대한 추가적인 상태 정보.

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 경우 계산 결과는 0이 아님을 의미한다.
캐리 플래그	연산 결과 올림수나 빌림수가 발생했는지를 나타낸다.	캐리 플래그가 1일 경우 올림수나 빌림수가 발생했음을 의미하고, 0일 경우 발생하지 않았음을 의미한다.
오버플로우 플래그	오버플로우가 발생했는지를 나타낸다.	오버플로우 플래그가 1일 경우 오버플로우가 발생했음을 의미하고, 0일 경우 발생하지 않았음을 의미한다.
인터럽트 플래그	인터럽트가 가능한지를 나타낸다.	인터럽트 플래그가 1일 경우 인터럽트가 가능함을 의미하고, 0일 경우 인터럽트가 불가능함을 의미한다.
슈퍼바이저 플래그	커널 모드로 실행 중인지, 사용자 모드로 실행 중인지를 나타낸다.	슈퍼바이저 플래그가 1일 경우 커널 모드로 실행 중임을 의미하고, 0일 경우 사용자 모드로 실행 중임을 의미한다.

 

제어장치

제어 신호를 내보내고, 명령어를 해석하는 부품

첫째, 제어장치는 클럭 신호를 받아들인다.

클럭(clock) - 컴퓨터의 모든 부품을 일사불란하게 움직일 수 있게 하는 시간 단위

• 클럭의 주기에 맞춰 한 레지스터에서 다른 레지스터로 데이터가 이동
• ALU에서 연산 수행
• CPU가 메모리에 저장된 명령어를 읽어들임

둘째, 제어장치는 '해석해야 할 명령어'를 받아들인다.

CPU가 해석해야 할 명령어는 명령어 레지스터에 저장

제어장치는 이 명령어 레지스터로부터 해석할 명령어를 받아들이고 해석한 뒤, 제어 신호를 발생시켜 컴퓨터 부품들이 수행해야 할 내용을 알려줌

 

셋째, 제어장치는 플래그 레지스터 속 플래그 값을 받아들인다.

제어장치는 플래그 값을 받아들이고 이를 참고하여 제어 신호를 발생시킴

 

넷째, 제어장치는 시스템 버스, 그중에서 제어 버스로 전달된 제어 신호를 받아들인다.

제어장치는 제어 버스를 통해 외부로부터 전달된 제어 신호를 받아들임

 

4-2. 레지스터

프로그램 속 명령어와 데이터는 실행 전후로 반드시 레지스터에 저장된다. 따라서 레지스터에 저장된 값만 잘 관찰해도 프로그램의 실행 흐름을 파악할 수 있다.

반드시 알아야 할 레지스터

• 프로그램 카운터 
• 명령어 레지스터
• 메모리 주소 레지스터
• 메모리 버퍼 레지스터
• 플래그 레지스터
• 범용 레지스터
• 스택 포인터
• 베이스 레지스터

 

프로그램 카운터 (명령어 포인터)

메모리에서 가져올 명령어의 주소, 즉 메모리에서 읽어 들일 명령어의 주소를 저장

명령어 레지스터

해석할 명령어를 저장하는 레지스터

제어장치는 명령어 레지스터 속 명령어를 받아들이고 이를 해석한 뒤 제어 신호를 내보냄

메모리 주소 레지스터

메모리의 주소를 저장하는 레지스터

CPU가 읽어들이고자 하는 주소 값을 주소 버스로 보낼 때 메모리 주소 레지스터를 거침

메모리 버퍼 레지스터

메모리와 주고받을 값을 저장하는 레지스터

메모리에 쓰고 싶은 값이나 메모리로부터 전달받은 값은 메모리 버퍼 레지스터를 거침

플래그 레지스터

연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보를 저장하는 레지스터

범용 레지스터

다양하고 일반적인 상황에서 자유롭게 사용할 수 있는 레지스터

데이터와 주소를 모두 저장할 수 있음

 

특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식(1) : 스택 주소 지정 방식

스택 주소 지정 방식

스택과 스택 포인터를 이용한 주소 지정 방식

 

스택 포인터

스택의 꼭대기를 가리키는 레지스터

어디까지 데이터가 채워졌는지에 대한 표시

 

특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식(2) : 변위 주소 지정 방식

변위 주소 지정 방식

오퍼랜드 필드의 값과 특정 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻어내는 주소 지정 방식

오퍼랜드 필드의 주소와 어떤 레지스터를 더하는지에 따라 상대 주소 지정 방식, 베이스 레지스터 주소 지정 방식 등으로 나뉨.

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

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

---

📌확인문제

🍀같이 풀어주세요! 정답은 2번 문제 뒤에 있습니다.

 

1. 설명에 맞는 레지스터를 보기에서 찾아 빈칸을 채워보세요.

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

 

 

2. 레지스터에 대한 설명으로 옳은 것을 고르세요.

  ① 산술 연산과 논리 연산을 수행하는 부품입니다.

  ② 제어 신호를 발생시킵니다.

  ③ 명령어를 해석합니다.

  ④ CPU 내에 있는 작은 임시 저장 장치입니다.

 

 

❗정답❗
1. ① 플래그 레지스터
    ② 프로그램 카운터
    ③ 범용 레지스터
    ④ 명령어 레지스터

2. ④
해석
레지스터는 CPU 내부에 있는 매우 빠른 임시 저장 장치로, 데이터를 일시적으로 저장하여 연산 속도를 높이는 데 사용됨.

① 산술 연산과 논리 연산을 수행하는 부품: ALU
② 제어 신호를 발생시킴: 제어 장치
③ 명령어를 해석: 제어 장치

4-3. 명령어 사이클과 인터럽트

명령어 사이클

CPU가 하나의 명령어를 처리하는 정형화된 흐름

• 인출 사이클 - 메모리에 있는 명령어를 CPU로 가지고 오는 단계
• 실행 사이클 - CPU로 가져온 명령어를 실행하는 단계

인터럽트

CPU가 정해진 흐름에 따라 명령어를 처리하다가 흐름이 끊어지는 상황

CPU의 작업을 방해하는 신호

• 동기 인터럽트(예외) - CPU가 실행하는 프로그래밍상의 오류와 같은 예외적인 상황에 마주쳤을 때 발생하는 인터럽트
• 비동기 인터럽트(하드웨어 인터럽트) - 입출력장치에 의해 발생하는 인터럽트 (like 알림)

하드웨어 인터럽트 처리 순서

1. 입출력장치는 CPU에 인터럽트 요청 신호를 보냄
2. CPU는 실행 사이클이 끝나고 명령어를 인출하기 전 항상 인터럽트 여부를 확인
3. CPU는 인터럽트 요청을 확인하고 인터럽트 플래그를 통해 현재 인터럽트를 받을 수 있는지 여부 확인
4. 인터럽트를 받아들일 수 있다면 CPU는 지금까지의 작업을 백업
5. CPU는 인터럽트 벡터를 참조하여 인터럽트 서비스 루틴을 실행
6. 인터럽트 서비스 루틴 실행이 끝나면 백업해둔 작업을 복구하여 실행을 재개

 

인터럽트 요청 신호

CPU의 정상적인 실행 흐름을 끊기 전에 물어보기

이 인터럽트 요청을 수용하기 위해 플래그 레지스터의 인터럽트 플래그가 활성화 되어있어야 함

 

인터럽트 플래그 - 하드웨어 인터럽트를 받아들일지, 무시할지를 결정하는 플래그

 

인터럽트 서비스 루틴(인터럽트 핸들러) - 인터럽트를 처리하기 위한 프로그램

인터럽트 벡터 - 인터럽트 서비스 루틴을 식별하기 위한 정보

---

Chapter 5
CPU 성능 향상 기법

5-1. 빠른 CPU를 위한 설계 기법

CPU 성능을 높이는 방법

• 클럭 속도 높이기

클럭

• 클럭 속도가 높아지면 CPU는 명령어 사이클을 더 빠르게 반복
• Hz(헤르츠) 단위로 측정
• 오버클럭킹 - 고성능을 요하는 순간에는 클럭 속도 높이고, 그렇지 않을 때는 클럭 속도를 낮춤

코어

CPU 내에서 명령어를 실행하는 부품

코어를 여러 개 포함하고 있는 CPU를 멀티코어 CPU 또는 멀티코어 프로세서라고 부름

 

코어마다 처리할 연산이 적절히 분배되지 않는다면 코어 수에 비례하여 연산 속도가 증가하지 않음

 

스레드와 멀티스레드

스레드 - 명령어를 실행하는 단위

• 하드웨어적 스레드 - 하나의 코어가 동시에 처리하는 명령어 단위
• 소프트웨어적 스레드 - 하나의 프로그램에서 독립적으로 실행되는 단위

멀티스레드 프로세서 (멀티스레드 CPU) - 하나의 코어로 명령어를 동시에 처리하는 CPU

 

---

📌확인문제

🍀같이 풀어주세요! 정답은 4번 문제 뒤에 있습니다.

 

1. 클럭에 대한 설명 중 옳지 않은 것을 고르시오.

  ① CPU는 클럭 신호에맞춰 작동합니다. 

  ② 클럭신호는 CPU의 속도 단위입니다.

  ③ 클럭 신호를 높여도 컴퓨터 부품은 발열 없이 빠르게 작동합니다.

  ④ 클럭 신호는 항상 일정하게 유지되지 않습니다.

 

2. 멀티코어와 멀티스레드에 대한 설명 중 옳지 않은 것은?

  ① 코어는 명령어를 인출하고 해석하고 실행하는 부품의 집합이다.

  ② 스레드는 코어가 처리할 수 있는 작업 단위이다.

  ③ 여러 개의 스레드를 처리할 수 있다면 하나의 프로그램을 동시에 처리할 수 있다.

  ④ 하나의 코어는 하나의 스레드만 처리할 수 있다.

 

3. 스레드와 관련한 설명으로 보기에서 알맞은 말을 찾아 써 넣으시오.

보기 소프트웨어, 하드웨어, 시스템 버스

 

스레드에는 (                 )적 스레드와 (                   )적 스레드가 있다.

 

4. 다음 그림은 멀티코어 CPU를 간략하게 도식화한 그림이다. 빈칸에 알맞은 용어를 써 넣으시오.

❗정답❗
1. ③ 
해설
클럭 신호(CPU의 클럭 속도)를 높이면 성능이 향상될 수 있지만, 전력 소모와 발열이 증가한다. 과도한 발열은 성능 저하나 부품 손상을 초래할 수 있다.
2. ④
해설
하나의 코어는 멀티스레딩 기술을 통해 여러 스레드를 동시에 처리할 수 있다. 이는 성능을 향상시키는 중요한 기술이다.
3. 소프트웨어, 하드웨어적 
4. 코어