유성이의 공부일지(5) - 혼자공부하는 컴퓨터 구조 + 운영체제 5장

05-1. 빠른 CPU를 위한 설계 기법

클럭

- 클럭 신호가 높아지면 CPU는 명령어 사이클을 더 빠르게 반복할 것임

- 다른 부품들도 그에 발맞춰 더 빠르게 작동함

- 실제로 클럭 속도가 높은 CPU는 일반적으로 성능이 좋기에 클럭속도는 CPU 속도 단위로 간주되기도 함

- 클럭 속도는 헤르츠(Hz) 단위로 측정함

- 이는 1초에 클럭이 몇 번 반복되는지를 나타냄

- 예를 들어 클럭아 똑-딱- 하고 1초에 한번 반복되면 CPU 클럭속도는 1Hz이고, 100번 반복되면 100Hz 임

- CPU의 기본속도가 2.5GHz, 최고 속도가 4.9GHz 라면 1초에 25억(2.5x10의 9승), 순간적으로는 최대 49억번(4.9x10의 9승)번 반복되는 것을 나타냄

- 오버플로킹은 CPU가 고성능을 요하는 순간에는 순간으로 클럭을 높이고 그렇지 않을 때 낮추는 것을 이야기함

 

코어와 멀티코어

- 클럭속도를 높이는 거 외에 CPU 성능을 높이는 방법으로는 코어와 스레드 수를 늘리는 방법이 있음

- 코어는 명령어를 실행하는 부품이라는 의미

- 명령어를 실행하는 부품을 여러개 포함하는 부품으로 명령어 범위가 확장됨

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

- 이는 CPU 내에 명령어를 처리하는 일꾼이 여러 명 있는 것과 같음

코어 수	프로세서 명칭
1	싱글코어(single-core)
2	듀얼코어(dual-core)
3	트리플코어(triple-core)
4	쿼드코어(quad-core)
6	헥사코어(hexa-core)
8	옥타코어(octa-core)
10	데카코어(deca-core)
12	도데카코어(dodeca-core)

 

여기서 잠깐!!

Q : 코어를 두 개, 세 개, 100개로 늘리면 연산 처리 속도도 두 배, 세 배, 100배로 빨라지나요?

A : 안타깝게도 CPU의 연산 속도가 꼭 코어 수에 비례하여 증가하지 x

 

스레드와 멀티스레드

- 스레드의 사전적 의미는 실행 흐름의 단위임

- 스레드에는 CPU에 사용되는 하드웨어적 스레드가 있고, 프로그램에서 사용되는 소프트웨어적 스레드가 있음

 

하드웨어적 스레드

- 여러 쓰레드를 지원하는 CPU는 하나의 코어로도 여러 개의 명령어를 동시에 실행 할 수 있음

- 예를 들어 2코어 4스레드 CPU는 명령어를 실행하는 부품을 두 개 포함하고, 한 번에 네 개의 명령어를 처리할 수 있는 CPU를 의미

- 이 처럼 하나의 코어로 여러 명령어를 동시에 처리하는 CPU를 멀티스레드 프로세서 또는 멀티스레드 CPU라고 함

- 하이퍼스레딩이라는 용어는 인텔에서 만든 멀티스레드 기술을 의미함

 

소프트웨어적 스레드

- 하나의 코어가 동시에 처리되는 명령어 단위를 의미

- 한 번에 하나씩 명령어를 처리하는 1코어 1스레드 CPU도 소프트웨어적 스레드를 수십 개 실행 가능

 

멀티스레드 프로세서

- 실제로 설계하는 일은 매우 복잡하지만 가장 큰 핵심은 레지스터임

- 하나의 코어로 여러 명령어를 동시에 처리하려면 프로그램 카운터, 스택 포인터, 데이터 버퍼 레지스터, 데이터 주소 레지스터 등이 필요

- 논리 프로세서는 2코어 4스레드 CPU는 한 번에 네 개의 명령어를 처리할 수 있는데, 프로그램 입장에서 봤을땐 한 번에 하나의 명령어를 처리하는 CPU가 4개 있는 것처럼 보이는 것

 

05-2. 명령어 병렬 처리 기법

명령어 파이프라인

- 명령어 파이프라인을 이해하려면 하나의 명령어가 처리되는 전체 과정을 비슷한 시간 간격으로 나누어 보아야 함

- 여기서 중요한 것은 같은 단계가 겹치지만 않는다면 CPU는 각 단계를 동시에 실행할 수 있음

1. 명령어 인출(Instruction Fetch)
2. 명령어 해석(Instruction Decode)
3. 명령어 실행(Execute Instruction)
4. 결과 저장(Write Back)

- 예를 들어 CPU는 한 명령어를 인출하는 동안에 다른 명령어를 실행할 수 있고 한 명령어가 실행되는 동안에 연산결과를 저장 할 수 있음

- 명령어 파이프라인은 공장 생산 라인 같이 명령어들을 말하고 동시에 처리하는 기법을 명령어 파이프 라이닝 이라고 함

- 특정 상황에서는 성능 향상에 실패하는 경우도 있는데 이를 파이프라인 위험이라고 함

- 파이프라인 위험에는 크게 데이터 위험, 제어 위험, 구조적 위험이 있음

 

데이터 위험

- 명령어 간 데이터 의존성에 의해 발생함

- 모든 명령어를 동시에 처리 x

- 어떤 명령어는 이전 명령어를 끝까지 실행해야만 비로소 실행할 수 있는 경우가 있음

 

제어 위험

- 주로 분기 등으로 인한 프로그램 카운터의 갑작스러운 변화에 의해 발생함

- 기본적인 프로그램 카운터는 현재 실행 중인 명령어의 다음 주소로 갱신됨

- 분기 예측은 프로그램이 어디로 분기할지 미리 예측한 후 그 주소를 인출하는 기술임

 

구조적 위험

- 명령어들을 겹쳐 실행하는 과정에서 서로 다른 명령어가 동시에 ALU, 레지스터와 같은 CPU 부품을 사용하려고 할때 발생함

- 구조적 위험은 자원 위험이라고도 부름

 

슈퍼스칼라

- CPU 내부에 여러 개의 명령어 파이프라인을 포함한 구조

- 슈퍼스칼라 구조로 명령어 처리가 가능한 CPU를 슈퍼스칼라 프로세서 또는 슈퍼스칼라 CPU라고 함

- 슈퍼스칼라 프로세서는 매 클럭 주기마다 동시에 여러 명령어를 인출하거나 실행할 수도 있어야 함

- 이론적으로 파이프라인 개수에 비례하여 프로그램 처리 속도가 빨라짐

- 하지만 파이프라인 등의 위험 문제가 있어 실제로는 반드시 파이프라인 개수에 비례하여 빨라지지는 않음

 

비순차적 명령어 방식

- 명령어들을 순차적으로 실행하지 않는 기법

- 파이프라인 위험과 같은 예상치 못한 문제들로 인해 이따금씩 명령어는 곧바로 처리되지 못함

- 명령어를 순차적으로 실행하지 않고 순서를 바꿔 실행해도 무방한 명령어를 먼저 실행하여 명령어 파이프라인이 멈추는 것을 방지함

05-3. CISC와 RISC

명령어 집합

- CPU가 이해할 수 있는 명령어의 모음을 명령어 집합 또는 명령어 집합 구조라고 함

- 즉 CPU마다 ISA가 다를 수도 있음

- 인텔의 노트북 CPU는 x86 혹은 x86-64 ISA를 이해하고 애플의 아이폰 CPU는 ARM ISA를 이해함

- x86(x86-64)과 ARM은 다른 ISA 이기 때문에 인텔 CPU를 사용하는 컴퓨터와 아이폰의 명령어는 서로 이해 못함

- 같은 소스로 만들어진 프로그램 일지라도 ISA가 다르면 CPU가 이해할 수 있는 명령어도 어셈블리어도 달라짐

- ISA가 같은 CPU 끼리는 서로의 명령어를 이해 할 수 있지만, ISA가 다르면 서로의 명령어를 이해하지 x

- ISA는 CPU의 언어임과 동시에 CPU를 비롯한 하드웨어가 소프트웨어를 어떻게 이해할지에 대한 약속이라고 볼 수 있음

 

CISC

- Complex Instruction Set Computer의 약자

- 이를 해석하면 복잡한 명령어 집합을 활용하는 컴퓨터를 의미함

- CISC란 이름 그대로 복잡하고 다양한 명령어를 활용하는 CPU 설계 방식임

- x86, x86-64는 대표적인 CISC 기반의 ISA임

- CISC는 다양하고 강력한 기능의 명령어 집합을 활용하기 때문에 명령어의 크기가 다양한 가변 길이 명령어를 사용

- 메모리에 접근하는 주소 지정 방식도 다양해서 아주 특별한 상황에서만 사용되는 독특한 주소 지정 방식도 있음

- 상대적으로 적은 수의 명령어로도 프로그램을 실행시킬 수 있음 

- 이로 인해서 메모리 공간을 절약할 수 있는 장점이 있음

- 하지만 단점으로는 활용하는 명령어가 워낙 복잡하고 다양한 기능을 제공하는 탓에 명령어 크기와 실행되기 까지 시간 일정 x

- 복잡한 명령어 때문에 명령어 하나를 실행하는 데에 여러 클럭 주기를 필요

- 그리고 대다수의 복잡한 명령어는 그 사용빈도가 낮음

 

RISC

- Reduced Instruction Set Computer의 약자

- 이름처럼 CISC에 비해 명령어의 종류가 적음

- CISC와는 달리 짧고 규격화된 명령어, 되도록 1클럭 내외로 실행되는 명령어를 지향함

- 즉 고정 길이 명령어를 활용

- RISC는 메모리에 직접 접근하는 명령어를 load,store 두 개로 제한할 만큼 메모리 접근을 단순화하고 최소화를 추구함

 

CISC와 RISC 비교

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