컴퓨터 아키텍쳐

컴퓨터의 구성

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컴퓨터의 구성에 대해서 알아보도록 합니다.
컴퓨터의 시스템은 크게 하드웨어와 소프트웨어로 나누어집니다.

• 하드웨어: 컴퓨터를 구성하는 물리적인 기계 장치
• 소프트웨어: 하드웨어의 동작을 지시하고 제어하는 명령어들의 집합.

하드웨어

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• 중앙처리장치(CPU)
• 기억장치: RAM, HDD, SSD
• 입출력 장치: 마우스, 프린터등

간단하게 표현한 하드웨어의 모습입니다.
하드웨어는 CPU와 기억장치, 입출력 장치로 이루어져 있습니다.
이들은 시스템 버스로 연결되어 있고, 이 시스템 버스는 데이터와 명령제어 신호를 각 장치로 실어나릅니다.

 

중앙처리장치 (CPU)

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• 사람으로 친다면 뇌에 해당하는 부분이다.
• 주 기억장치에서 프로그램의 명령어와 데이터를 읽어와 처리한다.
• 명령어의 수행 순서를 제어한다.
• 중앙처리장치는 비교와 연산을 담당하는 산술 논리 연산 장치(ALU)와 명령어의 해석을 담당하는 제어장치, 속도가 빠른 데이터 기억장소 레지스터로 이루어진다.
• 개인용 컴퓨터와 같은 소형 컴퓨터에서는 CPU를 마이크로프로세서라고 부르기도 한다.

 

중앙처리장치(CPU) 작동원리

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• 연산장치

산술 연산과 논리 연산의 수행(따라서 산술논리연산장치라고 불리기도한다.)
연산에 필요한 데이터를 레지스터에서 가져오고, 연산 결과를 다시 레지스터로 보낸다.

• 제어장치

명령어를 순서대로 실행할 수 있도록 제어하는 장치
주 기억장치에서 프로그램 명령어를 꺼내어 해독하고, 그 결과에 따라
명령어 실행에 필요한 제어 신호를 기억장치, 연산장치, 입출력 장치로 보낸다.
또한 이들 장치가 보낸 신호를 받아, 다음에 수행할 동작을 결정한다.

• 레지스터
  • 범용 레지스터 : 연산에 필요한 데이터나 연산결과를 임시로 저장
  • 특수목적 레지스터: 특별한 용도로 사용하는 레지스터

고속 기억장치이다.
명령어 주소, 연산에 필요한 데이터, 연산 결과 등을 임시로 저장한다.

용도에 따라서 범용 레지스터와 특수 목적 레지스터로 구분된다.
중앙처리장치 종류에 따라 사용할 수 있는 레지스터 개수와 크기가 다르다.

 

특수 목적 레지스터 중 중요한 것들

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• MAR (메모리 주소 레지스터): 읽기와 쓰기 연산을 수행 할 주 기억장치 주소저장
• PC (프로그램 카운터): 다음에 수행 할 명령어 주소 저장
• IR (명령어 레지스터): 현재 실행 중인 명령어 저장
• MBR (메모리 버퍼 레지스터): 주 기억장치에서 읽어온 데이터 or 저장할 데이터 임시 저장
• AC (누산기): 연산 결과 임시 저장

 

CPU의 동작 과정

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1. 주 기억장치는 입력장치에서 입력받은 데이터 또는 보조기억장치에 저장된 프로그램을 읽어온다.
2. CPU는 프로그램을 실행하기 위해서 주기억장치에 저장된 프로그램 명령어와 데이터를 읽어와 처리를 하고 결과를 다시 주 기억장치에 저장
3. 주 기억장치는 처리 결과를 보조기억장치에 저장하거나 출력장치로 보냄
4. 제어장치는 1 ~ 3 과정에서 명령어가 순서대로 실행되도록 각 장치를 제어

멍령어 세트란?

CPU가 실행할 명령어의 집합

연산 코드(Operation Code) + 피연산자(Operand)로 이루어짐
연산 코드: 실행할 연산
피연산자: 필요한 데이터 or 저장 위치

• 연산 코드는 연산, 제어, 데이터 전달, 입출력 기능을 가진다.
• 피연산자는 주소, 숫자/문자, 논리 데이터 등을 저장
• CPU는 프로그램을 실행하기 위해 주기억장치에서 명령어를 순차적으로 인출하여 해독하고 실행하는 과정을 반복함.
• CPU가 주기억장치에서 한번에 하나의 명령어를 인출하여 실행하는데 필요한 일련의 활동을 '명령어 사이클' 이라고 말함
• 명령어 사이클은 인출/실행/간접/인터럽트 사이클로 나누어진다.
• 주기억장치의 지정된 주소에서 하나의 명령어를 가져오고, 실행 사이클 에서는 명령어를 실행한다.
• 하나의 명령어 실행이 완료되면 다음 명령어에 대한 인출 사이클 시작.

인출 사이클과 실행 사이클에 의한 명령어 처리 과정

인출 사이클에서 가장 중요한 부분은 PC(프로그램 카운터) 값 증가

• PC에 저장된 주소를 MAR로 전달
• 저장된 내용을 토대로 주기억장치의 해당 주소에서 명령어 인출
• 인출한 명령어를 MBR에 저장
• 다음 명령어를 인출하기 위해 PC 값 증가시킴
• 메모리 버퍼 레지스터(MBR)에 저장된 내용을 명령어 레지스터(IR)에 전달

T0 : MAR <- PC
T1 : MBR <- M[MAR], PC <- PC + 1
T2 : IR <- MBR

여기 까지는 인출하기까지의 과정

인출한 이후, 명령어를 실행하는 과정

ADD addr 명령어 연산

T0 : MAR <- IR(Addr)
T1 : MBR <- M[MAR]
T2 : AC <- AC + MBR

이미 인출이 진행되고 명령어만 실행하면 되기 때문에 PC를 증가할 필요는 없다.
IR에 MBR의 값이 이미 저장된 상태를 의미한다.
따라서 AC에 MBR을 더 해주기만 하면된다.

기억장치

• 프로그램, 데이터, 연산의 중간 결과를 저장하는 장치
• 주기억장치와 보조기억장치로 나누어진다. RAM 과 ROM은 주기억장치에 해당한다.
• 주기억장치는 실행중인 프로그램과 같은 프로그램에 필요한 데이터를 일시적으로 저장한다.
• 보조기억장치에는 HDD, SSD등이 있고 주기억장치에 비해 속도는 느리지만 영구적으로 많은 자료를 저장할 수 있는 장점이 있다.

입출력장치

• 입력과 출력으로 나누어진다.
• 입력 장치는 컴퓨터 내부로 자료를 입력하는 장치 (키보드, 마우스 등)
• 출력 장치는 컴퓨터에서 외부로 자료를 표현하는 장치 (프린터, 모니터, 스피커 등)

시스템 버스

하드웨어 구성 요소를 물리적으로 연결하는 선
각 구성요소가 다른 구성요소로 데이터를 보낼 수 있게 통로가 되어준다.

용도에 따라서 데이터 버스, 주소 버스, 제어 버스로 이루어져 있습니다.

데이터 버스

중앙처리장치와 기타 장치 사이에서 데이터를 전달하는 통로이다.
기억장치와 입출력장치의 명령어와 데이터를 중앙처리장치로 보내거나, 중앙처리장치의 연산결과를 
기억장치와 입출력장치로 보내는 '양방향' 버스입니다.

주소 버스

데이터를 정확히 실어나르기 위해서는 기억장치의 주소를 정해주어야합니다.
주소버스는 중앙처리장치가 주기억장치나 입출력장치로 기억장치 주소를 전달하는 통로이기에 '단방향' 버스입니다.

제어 버스

주소 버스와 데이터 버스는 모든 장치에서 공유되기 때문에 이를 제어할 수단이 필요합니다.
제어 버스는 중앙처리장가 기억장치나 입출력장에 제어 신호를 전달하는 통로이다.
제어 신호의 종류로는 다음과 같이 있다.
기억장치 읽기 및 쓰기, 버스 요청 및 승인, 인터럽트 요청 및 승인, 클락 , 리셋등
제어버스는 읽기 동작과 쓰기 동작을 모두 수행하기 때문에 '양방향'버스입니다.
컴퓨터는 기본적으로 읽고 처리한 뒤 저장하는 과정으로 이루어진다.
(READ -> PROCESS -> WRITE)
이 과정을 진행하면서 끊임없이 주 기억장치(RAM)과 소통한다. 이때 운영체제가 64bit라면, CPU는
RAM으로부터 데이터를 한번에 64비트씩 읽어온다.

소프트웨어

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• 시스템 소프트웨어: 운영체제, 컴파일러
• 응용 소프트웨어: 워드프로세서, 스프레드시트등

 

캐시 메모리(Cache Memory)

🔅 속도가 빠른 장치와 느린 장치에서 속도 차이에 따른 병목 현상을 줄이기 위한 메모리를 말한다.

ex1 ) CPU 코어와 메모리 사이의 병목 현상 완화
ex2 ) 웹 브라우저 캐시 파일은, 하드디스크와 웹페이지 사이의 병목 현상을 완화

• CPU가 주기억장치에서 저장된 데이터를 읽어올 때, 자주 사용하는 데이터를 캐시 메모리에 저장한다.
• 다음 이용할 때 주기억장치가 아닌 캐시 메모리에서 먼저 가져오면서 속도를 향상시킨다.

속도라는 장점을 얻지만, 용량이 적기도 하고 비용이 비싼 점이 있다.

CPU에는 이런 캐시 메모리가 2 ~ 3개 정도 사용이 된다. (L1, L2, L3 캐시 메모리라고 부른다.)

속도와 크기에 따라 분류한 것으로, 일반적으로 L1 캐시부터 먼저 사용이 된다.

(CPU에서 가장 빠르게 접근하고, 여기서 데이터를 찾지 못하면 L2로 간다.)

듀얼 코어 프로세서의 캐시 메모리: 각 코어마다 독립된 L1 캐시 메모리를 가지고,

두 코어가 공유하는 L2 캐시 메모리가 내장된다.

만약 L1 캐시가 128kb 라면, 64/64로 나누어서 64kb에 명령어를 처리하기 직전의 명령어를 임시 저장하고,

나머지 64kb에는 실행 후 명령어를 임시 저장한다. (명령어 세트로 구성, I-Cache - D-Cache)

• L1: CPU 내부에 존재
• L2: CPU 와 RAM 사이에 존재
• L3: 보통 메인보드에 존재한다고 한다.

캐시 메모리 크기가 작은 이유는, SRAM 가격이 너무 비싸기 때문이다.

디스크 캐시: 주기억장치(RAM) 와 보조기억장치(하드디스크) 사이에 존재하는 캐시

캐시 메모리 작동 원리

• 시간 지역성
• for 나 while 같은 반복문에 사용하는 조건 변수 처럼 한번 참조된 데이터는 잠시후 또 참조될 가능성이 높음
• 공간 지역성이처럼 참조 지역성의 원리가 존재한다.
• A[0], A[1]과 같은 연속 접근시, 참조된 데이터 근처에 있는 데이터가 잠시후 또 사용될 가능성이 높음

캐시에 데이터를 저장할 때는, 이러한 참조 지역성(공간)을 최대한
활용하기 위해 해당 데이터뿐만 아니라, 옆 주소의 데이터도 같이
가져와서 미래에 쓰일 것을 대비한다.

CPU가 요청한 데이터가 캐시에 있으면 'Cache Hit', 없어서 DRAM 에서 가져오면 'Cache Miss'

캐시 미스 경우 3가지

1. Cold miss
   • 해당 메모리 주소를 처음 불러서 나는 미스
2. Conflict miss
   • 캐시 메모리에 A와 B 데이터를 저장해야 하는데, A와 B가 같은
     캐시 메모리 주소에 할당 되어 있어서 나는 미스 (direct mapped cache 에서 많이 발생)

   항상 휴대폰과 열쇠를 오른쪽 주머니에 넣고 다니는데, 
   잠깐 친구가 준 물건을 받느라 손에 들고 있던 휴대폰을 가방에 넣었다. 
   그 이후 휴대폰을 찾으려 오른쪽 주머니에서 찾는데 없는 상황

3. Capacity miss
   • 캐시 메모리의 공간이 부족해서 나는 미스
   • Conflict는 주소 할당 문제, Capacity는 공간 문제

캐시 크기를 키워서 문제를 해결하려하면, 캐시 접근속도가 느려지고 파워를 많이 먹는 단점이 생김.

구조 및 작동 방식

가장 기본적인 구조로, DRAM의 여러 주소가 캐시 메모리의 한 주소에 대응되는 다대일 형식이다.

현재 그림에서는 메모리 공간이 32개(00000~11111)이고, 캐시 메모리 공간은 8개(000~111)인 상황이다.



ex) 00000, 01000, 10000, 11000인 메모리 주소는 000 캐시 메모리 주소에 매핑

이때 000이 '인덱스 필드', 인덱스 제외한 앞의 나머지(00, 01, 10, 11)을 '태그 필드'라고 한다.



이처럼 캐시 메모리는 인덱스 필드 + 태그 필드 + 데이터 필드로 구성이 됩니다.

간단하고 빠른 장점이 있지만 Conflict miss 가 발생하는 것이 단점입니다.


위의 그림처럼 같은 색깔의 데이터를 동시에 사용해야 할 때 발생합니다.

• Fully Associative Cache
• 비어있는 캐시 메모리가 있으면, 마음대로 주소를 저장하는 방식 저장할 때는 매우 간단하지만, 찾을 때가 문제이다. 조건이나 규칙이 없어서 특정 캐시 Set안에 있는 모든 블럭을 한번에 찾아와서 원하는 데이터가 있는지 비교해서 검색해야 한다. CAM이라는 특수한 메모리 구조를 사용해야하지만 매우 비싸다.
• Set Associative Cache
• Direct + Fully 방식이다. 특정 행을 지정하고, 그 행안의 어떤 열이든 비어있을 때 저장하는 방식 Direct에 비해 검색 속도는 느리지만, 저장이 빠르고 Fully에 비해 저장이 느린 대신 검색이 빠른 중간형이다

> 실제로 위 두가지 보다 나중에 나온 방식이다.