[Computer Architecture] Processor, Computer System Organization

계속 한번 Data 저장장치, Processor, 컴퓨터의 구성요소, Instruction Set Architecture (ISA - 명령어 집합)에 데하여 알아보겠습니다.

Safe Place for Data

휘발성 주기억장치

• 휘발성 주기억장치는 전원을 끄면 명령어와 데이터가 사라지는 메모리를 말합니다.
• 예로는 DRAM(Dynamic Random Access Memory)이 있습니다. 이 메모리는 데이터 접근 속도가 빠르지만 전원이 끊어지면 데이터가 사라집니다.

비휘발성 보조 메모리

• 비휘발성 보조 메모리는 전원이 끊어져도 데이터를 유지할 수 있는 저장 장치를 의미합니다.
• 자기 디스크: 하드 디스크 드라이브(HDD)와 같은 장치로, 자기 데이터를 물리적으로 저장합니다.
• 플래시 메모리: 솔리드 스테이트 드라이브(SSD)와 같은 형태의 메모리로, 빠른 데이터 접근 속도를 제공합니다.
• 광디스크: CD, DVD, 블루레이 디스크와 같은 매체를 통해 데이터를 저장합니다.

비휘발성 메모리

• 비휘발성 메모리는 데이터를 영구적으로 유지하는 메모리입니다.
• NVDIMM-N: DRAM과 플래시 메모리를 결합한 형태로, DRAM에 데이터를 먼저 저장하고, 전원이 끊어지면 데이터를 플래시 메모리로 옮겨 저장합니다.
• NVDIMM-P: 인텔 옵테인 DCPMM(데이터 센터 영구 메모리 모듈)을 사용하는 기술로, 고성능과 영구적 데이터 저장을 모두 제공합니다

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UniProcessor

UniProcessor는 단일 코어의 단일 CPU를 의미합니다. UniProcessor은 시간이 지날수록 성능이 점점 향상되고 있습니다. 과연 이유는 무엇일까요?

1. Technology Improvement (기술 발전의 요인)

1. Processor (프로세서) - 공정 기술의 발전
   • 논리 용량(성능): 연간 약 30% 증가하고 있습니다.
   • 클럭 속도: 연간 약 20% 증가했습니다.
2. Memory (메모리)
   • DRAM 용량: 연간 약 60% 증가(3년마다 4배 증가).
   • 메모리 속도: 연간 약 10% 증가하고 있습니다.
   • 비용 대비 성능: 연간 약 25% 개선됩니다.
3. Disk (용량)
   • 용량: 연간 약 60% 증가합니다.

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Moore's Law (무어의 법칙)

• 18개월 마다 반도체 IC칩에 들어가는 트랜지스터의 양이 2배로 증가합니다. 
  • 트랜지스터 수가 많을수록 성능이 향상됩니다.

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Hwang's Law (황의 법칙)

• 12개월마다 플래시 메모리의 칩 수가 2배로 증가합니다.

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2. Computer Architecture (컴퓨터 구조)

• 병렬 처리 활용 - 단일 프로세서
• 파이프라이닝: 동일한 작업을 여러 단계로 나누어 동시에 처리할 수 있습니다.
• 슈퍼스칼라: 슈퍼스칼라 프로세서는 최대한 병렬성을 유지하여 프로세서 모듈이 개입하고 최대한 빠른 성능을 높이기 위해 지원하는 프로세서입니다.

SuperScaler Processor 예시

• 멀티 코어 프로세서: 여러 프로세서를 활용하여 병렬 처리를 수행할 수 있습니다.

MultiCore Processor 예시

• 미디어 명령어(SIMD): 미디어 벡터링 처리를 통해 고속 처리를 수행할 수 있습니다.
• 캐시 메모리: CPU, 캐시, DRAM의 성능을 최적화하여 비용은 상승하나 용량은 감소시킬 수 있습니다.

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Below Your Program

• Application Sortware (응용 소프트웨어 및 시스템 소프트웨어)
  • 응용 소프트웨어는 고급 언어(High-Level Language)로 작성됩니다.
  • 사용자의 요구에 따라 다양한 기능을 수행하는 소프트웨어로, 애플리케이션, 게임, 비즈니스 소프트웨어, 데이터베이스, 웹 브라우저 등 다양한 종류가 있습니다.
• System Software (시스템 소프트웨어)
  • 시스템 소프트웨어는 하드웨어와 응용 소프트웨어 사이의 인터페이스 역할을 수행합니다.
  • 주로 컴퓨터 시스템을 관리하고 운영하는 데 사용됩니다.
  • Operation System
    • I/O 작업: 입력과 출력을 제어하고 관리합니다.
    • Memory 및 Storage 할당: 메모리와 저장 공간을 효율적으로 할당합니다.
    • Scheduling 및 Resource 공유: 프로세서 시간, 메모리, I/O 등 컴퓨터의 자원을 여러 응용 프로그램 사이에서 적절히 분배하고 관리합니다.
• Compiler(컴파일러)
  • High-Level Language를 hardware 명령어 로 변환합니다. 이 과정에서 source code를 machine code로 컴파일하여 processor가 실행할 수 있도록 만듭니다.
• Hardware(하드웨어)
  • Processor: 컴퓨터의 "두뇌" 역할을 하며 명령어를 실행합니다.
  • Memory: 프로그램과 데이터를 저장하는 공간으로, 주기억장치(DRAM)와 보조기억장치(디스크, 플래시 메모리)가 포함됩니다.
  • I/O Controller: 입력 및 출력 장치를 제어하고 관리합니다.

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Level of Program Code

High-Level Language

• 문제 영역에 가까운 추상화 수준을 제공합니다.
• 생산성 및 휴대성을 제공합니다.

Assembly Language

• 명령을 텍스트로 표현한 언어입니다.
• 기계어에 직접 대응하며 하드웨어의 기능을 보다 구체적으로 제어할 수 있습니다.

Hardware Representation

• Binary (2진수): 컴퓨터가 사용하는 가장 기본적인 데이터 표현 형식으로, 0과 1로 구성됩니다.
• 인코딩된 Instruction & Data: 컴퓨터 하드웨어가 처리할 수 있도록 명령어와 데이터를 인코딩하여 저장하고 실행합니다.

Program Code 실행과정

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Computer System Organization

• Datapath (데이터 경로): 산술 연산을 수행합니다. aka. 일하는 애들
• Control : 데이터 경로, 메모리 및 I/O 장치에서 수행해야 할 작업을 알려줍니다.

Input Device Inputs Object Code

• Input Device: 키보드, 마우스, Network

Programs (as Machine Code)are Stored in Memory

Sequential Execution (순차 집행)는 machine code 프로그램을 실행하는 주요 방식입니다. 이는 프로그램을 순차적으로 실행하며 다음과 같은 세 단계를 포함합니다.

• Fetch (명령어 가져오기)
  • 프로세서가 program counter에 의해 현재 실행해야 할 명령어의 주소를 지정합니다
  • 그 주소에 저장된 명령어를 memory에서 instruction register로 가져옵니다.
• Decode (명령어 해독)
  • instruction register에 저장된 명령어를 해독합니다.
  • 명령어를 분석하여 수행해야 할 작업을 결정합니다.
  • 필요한 경우, 명령어에 포함된 오퍼랜드(피연산자)를 파악하고 가져옵니다.
• Execute (명령어 실행)
  • 해독된 명령어를 기반으로 작업을 수행합니다.
  • ALU(Arithmetic Logic Unit)를 사용하여 산술 및 논리 연산을 수행합니다.
  • 메모리에서 데이터에 접근하거나, I/O 장치를 제어하는 등의 작업을 수행합니다.
  • 명령어 수행 결과를 register에 저장하거나, 메모리에 기록합니다.

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Processor Fetches an Instruction

• 프로세서가 메모리에서 Instruction set(명령어)를 가져옵니다
  • PC: 실행 중인 명령어의 메모리 주소를 추적하는 컴퓨터 프로세서에 등록합니다.
    • 내가 다음에 실행해야 하는 명령어 주소를 저장하는 Register입니다.

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Instruction Decode & Execution

• Control은 명령어를 디코딩(Decoding)하여 실행할 것을 결정합니다.
  • Instruction Set Architecture(명령어 집합)에 맞게 해독합니다.
• 데이터 경로는 컨트롤의 지시에 따라 명령을 실행합니다.

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Hardware / Software Interface

• 이 주제의 제목은 "Hardware/Software Interface" 로, 하드웨어를 작동시키기 위해서는 소프트웨어가 필요하기 때문입니다.
• Instruction Set Architecture (ISA)는 프로그래머가 바이너리 프로그램을 작동시키기 위해 알아야 할 모든 것을 포함합니다.
  • ISA에는 명령어, 산술 논리 장치(ALU), 사용 가능한 레지스터 및 레지스터 크기 등이 포함됩니다.
• 인터페이스는 컴퓨터의 성능에 영향을 미치기 때문에 중요합니다.
• 또한 주어진 명령어 세트가 다른 기계에서 작동할 수 있도록 합니다.
  • 주어진 ISA는 하드웨어에서 다른 구현을 가질 수 있습니다.
  • Computer Architecture와 Computer Organization을 구분합니다.

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Instruction Set Architecture (ISA)

• ISA는 소프트웨어와 하드웨어를 구분하는 인터페이스를 설명합니다.
• ISA는 소프트웨어와 하드웨어 간의 연결을 제공합니다.
• 주어진 명령어 집합이 있으면 소프트웨어 프로그래머와 하드웨어 엔지니어는 어느 정도 독립적으로 작업할 수 있습니다.
• ISA는 사용 가능한 하드웨어 기술 중에서 가장 높은 성능을 발휘하도록 설계되었습니다.
• RISC-V
  • Open source RISC(Reduced Instruction Set Computing)입니다.
  • UC Berkeley에서 2010년에 개발되었습니다.

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Computer Architecture vs Organization

• Architecture(물리적인 Hardware Unit): 프로그램의 논리적 실행에 직접적인 영향을 미치는 시스템 속성입니다.
• 프로그래머에게 보이는 것:
  • 명령어 집합 (instruction set)
  • 데이터 표현 (data representation)
  • I/O 메커니즘
  • 메모리 주소 지정 (memory addressing)
  • ISA 유형: RISC, CISC, VLIW, Superscalar, CRISC
  • 예: IBM370/x86/Pentium(CISC), ARM(RISC), Intel Core(CRISC), MIPS(RISC 및 Superscalar)
• Organization: 프로그래머에게 투명한 물리적 세부사항입니다.
  • 명령어의 하드웨어 구현 (hardware implementation of an instruction)
  • 제어 신호 (control signals)
  • 메모리 기술 (memory technology)
  • 예: System/370 아키텍처는 IBM 컴퓨터에서 사용되었으며, 이들은 조직에 따라 크게 다릅니다.