Computer Architecture 컴퓨터 구조

컴퓨터 구조와 명령어 집합 구조

컴퓨터 구조

• 컴퓨터가 효율적으로 작동할 수 있도록 HW 및 SW의 기능을 고안하고, 이들을 구성하는 방법을 말함
  • 컴퓨터의 기능 구조에 대한 설계, 명령어 집합 구조, 마이크로 아키텍처, 기타 하드웨어 및 컴퓨팅 방법에 대한 설계 등 포함
• ‘컴퓨터의 기능 구조에 대한 설계’ : 컴퓨터가 연산을 효율적으로 하기 위해 어떤 기능들이 컴퓨터에 필요한지 고민하고 설계하는 분야
  • 폰노이만 구조, 하버드 구조, 수정된 하버드 구조
• 명령어 집합 구조 : CPU의 명령어에 대한 설계 → CPU가 처리해야하는 명령어를 설계하는 분야
  • ARM, MIPS, AVR, 인텔 X86 및 x86-64
• 마이크로 아키텍처 : CPU의 하드웨어적 설계 → 정의된 명령어 집합을 효율적으로 처리할 수 있도록, CPU의 회로를 설계하는 분야
• 컴퓨터 구조의 세부 분야
  • 기능 구조의 설계
    • 폰 노이만 구조
    • 하버드 구조
    • 수정된 하버드 구조
  • 명령어 집합구조
    • x86, x86-64
    • ARM
    • MIPS
    • AVR
  • 마이크로 아키텍처
    • 캐시 설계
    • 파이프라이닝
    • 슈퍼 스칼라
    • 분기 예측
    • 비 순차적 명령어 처리
  • 하드웨어 및 컴퓨팅 방법론
    • 직접 메모리 접근

 

폰 노이만 구조

• 🧠 중앙처리장치
  • 시스템을 관리하는 컴퓨터의 두뇌
  • 프로세스의 코드를 불러오고, 실행하고, 결과를 저장하는 일련의 모든 과정이 CPU에서 일어남
  • 산술/논리 연산을 처리하는 산술논리 장치 + CPU를 제어하는 제어장치 + 데이터를 저장하는 레지스터로 구성
• 💾 기억장치
  • 컴퓨터가 동작하는데 필요한 여러 데이터를 저장하기 위해 사용
  • 용도에 따라 주기억장치와 보조기억장치로 분류
    • 주기억 장치 : 프로그램 실행과정에서 필요한 데이터들을 임시로 저장하기 위해 사용
      → RAM(Random-Access Memory)
    • 보조기억장치 : 운영체제, 프로그램 등과 같은 데이터를 장기간 보관하고자 할 때 사용
    • → HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Drive)

• 🚌 버스
  • 컴퓨터 부품과 부품 사이 또는 컴퓨터와 컴퓨터 사이에 신호를 전송하는 통로
  • 종류
    • 데이터 버스 : 데이터가 이동
    • 주소 버스 : 주소를 지정
    • 제어 버스 : 읽기/쓰기를 제어
  • 이외에도 랜선이나 데이터 전송 소프트웨어, 프로토콜 등도 버스라고 불림

💡 기억장치가 있는데 CPU 안에 레지스터가 왜 필요한가요?
CPU는 굉장히 빠른 속도로 연산을 처리 → 이를 위해 데이터의 빠른 교환이 필요 따라서 CPU는 필요한 데이터를 빠르게 공급하고, 반출할 수 있어야 자신의 효율을 제대로 발휘할 수 있음. 근데 CPU의 연산속도가 기억장치와의 데이터 교환속도보다 압도적으로 빠르기 때문에 기억장치만을 사용 하면 *병목현상**이 발생함. → 따라서 CPU는 교환속도를 단축하기 위해 레지스터와 캐시라는 저장장치를 내부에 가지고 있음

* 병목현상 : 두 구성 요소의 최대 성능의 차이로 인해 한 구성 요소가 다른 하드웨어의 잠재 성능을 제한하는 것

 

명령어 집합 구조(ISA, Instruction Set Architecture)

• CPU가 해석하는 명령어의 집합
• 종류 : IA-32, x86-64(x64), MIPS, AVR 등
  • x86-64 : 고성능 프로세서를 설계하기 위해 사용
    • 많은 전력 소모하고 발열 심함
    • 데스크톱, 랩톱에 적합
  • ARM, MIPS, AVR
    • 전력소모와 발열이 적음
    • 공유기, 인공지능 스피커 등 임베디드 기기 및 스마트폰에서 사용
• → 다양한 ISA가 개발되고 사용되는 이유 : 모든 컴퓨터가 동일한 수준의 연산 능력을 요구하지 않으며 컴퓨팅 환경도 다양함

x86-64 아키텍처

x86-64 아키텍처

• 인텔의 64비트 CPU 아키텍처
• 인텔의 32비트 CPU 아키텍처인 IA-32를 64비트 환경에서 사용할 수 있도록 확장한 것
• 대다수의 개인용 컴퓨터들이 사용

n 비트 아키텍쳐

• n : CPU가 한번에 처리할 수 있는 데이터의 크기
• = WORD : CPU가 이해할 수 있는 단위라는 의미

WORD가 크면 유리한 점

• 현대의 PC는 대부분 64를 사용 → 32는 CPU가 제공하는 가상메모리의 크기가 작기 떄문
  • 32비트 아키텍처에서는 4GB가 최대로 제공 가능한 가상 메모리의 크기
  • 6비트 아키텍처에서는 이론상 16엑사바이트(1.6천만TB)의 가상 메모리를 제공 가능

x86-64 아키텍처: 레지스터

• CPU가 데이터를 빠르게 저장하고 사용할 때 이용하는 보관소
• 산술 연산에 필요한 데이터를 저장하거나 주소를 저장하고 참조하는 등 다양한 용도로 사용
• 종류
  • 범용 레지스터
    • 주용도는 있으나, 그 외의 다양한 용도로 사용될 수 있는 레지스터
    • x86-64에서 각각의 범용 레지스터는 8바이트를 저장할 수 있음

      이름	주용도
      rax(accumulator register)	함수의 반환 값
      rbx(base register)	x64에서는 주된 용도 없음
      rcx(counter register)	반복문의 반복 횟수, 각종 연산의 시행 횟수
      rdx(data register)	x64에서는 주된 용도 없음
      rsi(source index)	데이터를 옮길 때 원본을 가리키는 포인터
      rdi(destination index)	데이터를 옮길 때 목적지를 가리키는 포인터
      rsp(stack pointer)	사용중인 스택의 위치를 가리키는 포인터
      rbp(stack base pointer)	스택의 바닥을 기리키는 포인터

    • <범용 레지스터의 주용도>
  • 세그먼트 레지스터
    • x64 아키텍처 : cs, ss, ds, es, fs, gs 총 6가지 존재, 각 레지스터의 크기는 16비트
    • x64로 아키텍처가 확장되면서 용도에 큰 변화가 생긴 레지스터
    • x64에서 cs, ds, ss 레지스터는 코드 영역과 데이터, 스택 메모리 영역을 가리킬 때 사용되고, 나머지 레지스터는 운영체제 별로 용도를 결정할 수 있도록 범용적인 용도로 제작
  • 명령어 포인터 레지스터
    • CPU가 어느 부분의 코드를 실행할지 가리킴
    • x64 아키텍처 : rip, 크기는 8바이트
  • • 프로세서의 현재 상태를 저장
    • x64 아키텍처 : RFLAGS, 64비트 크기 → 실제로는 20여개 비트만 사용
    • 깃발을 올리고, 내리는 행위를 통해 CPU의 현재 상태를 표현
    • <플래그 레지스터의 종류>
      

      플래그	의미
      CF(Carry Flag)	부호 없는 수의 연산 결과가 비트의 범위를 넘을 경우 설정 됨
      ZF(Zero Flag)	연산의 결과가 0일 경우 설정됨
      SF(Sign Flag)	연산의 결과가 음수일 경우 설정됨
      OF(Overflow Flag)	부호 있는 수의 연산 결과가 비트 범위를 넘을 경우 설정

    <레지스터의 호환>

요약

• 범용 레지스터 : 주 용도는 있으나, 그 외의 용도로도 자유롭게 사용할 수 있는 레지스터
  • rax, rbx, rcx, rdx, rsi, rdi, rsp, rbp, r8-15
• 세그먼트 레지스터 : 과거에는 메모리 세그멘테이션이나, 가용 메모리 공간의 확장을 위해 사용됐으나, 현재는 주로 메모리 보호를 위해 사용되는 레지스터
  • cs, ss, ds, es, fs, gs
• 플래그 레지스터 : CPU의 상태를 저장하는 레지스터
• 명령어 포인터 레지스터 : CPU가 실행해야할 코드를 가리키는 레지스터
  • rip