[CS]Computer Architecture - 하드웨어, 시스템 버스, CPU, 캐시 메모리

컴퓨터의 구성

하드웨어: 컴퓨터를 구성하는 기계적 장치

• 중앙처리장치(CPU)
• 기억 장치: RAM, HDD
• 입출력 장치: 마우스, 프린터

소프트웨어: 하드웨어의 동작을 지시하고 제어하는 명령어 집합

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

 

하드웨어

중앙처리장치, 기억 장치, 입출력 장치로 구성된다.

 

중앙처리장치(CPU)

인간으로 따지면 두뇌에 해당한다.

주기억장치에서 프로그램 명령어와 데이터를 읽어와 처리하고 명령어의 수행 순서를 제어한다.

구성

• 산술논리연산장치(ALU): 비교와 연산을 담당
• 제어 장치: 명령어의 해석과 실행을 담당
• 레지스터: 속도가 빠른 데이터 기억장소

소형 컴퓨터에서는 CPU를 마이크로프로세서라고도 부른다.

 

기억 장치

프로그램, 데이터, 연산의 중간 결과를 저장하는 장치이다.

 

주기억장치와 보조기억장치로 나눠진다.

주기억장치는 CPU의 처리에 필요한 데이터를 저장한다. RAM과 ROM이 이에 해당한다.

보조기억장치는 하드디스크(HDD)가 있다. 응용 프로그램과 유틸리티, 운영체제를 저장한다. 보조기억장치는 주기억장치에 비해 속도는 느리지만 많은 자료를 영구적으로 보관할 수 있다.

• 유틸리티: 운영체제가 가지고 있지 않은 보조적인 역할을 해준다. 파일을 관리한다던가, 파일을 압축한다던가, 보안 프로그램을 돌려 컴퓨터 바이러스 검사를 한다던가 등의 하드웨어에 가까운 작업들을 수행한다.
• 운영체제: 구조상 하드웨어와 유틸리티 사이에 위치한다.

 

입출력 장치

입력 장치는 컴퓨터 내부에 자료를 입력하는 장치로, 키보드와 마우스가 있다.

출력 장치는 컴퓨터에서 외부로 표현하는 장치고, 프린터와 모니터가 있다.

 

 

이들은 시스템 버스로 연결되어 있다.

시스템 버스는 데이터와 명령 제어 신호를 각 장치로 실어 나르는 역할을 한다.

 

시스템 버스

각 구성 요소가 다른 구성 요소로 데이터를 보낼 수 있도록 통로가 되어준다.

용도에 따라 데이터 버스, 주소 버스, 제어 버스로 나눠진다.

데이터 버스

중앙처리장치와 기타 장치 사이에서 데이터를 전달하는 통로

기억 장치, 입출력 장치 ↔ 중앙처리장치

즉, 양방향 버스이다.

 

주소 버스

데이터를 정확히 실어 나르기 위해서는 기억 장치의 주소를 정해주어야 한다.

중앙처리장치 -(기억장치 주소)→ 주기억장치, 입출력 장치

즉, 단방향 버스이다.

 

제어 버스

주소 버스와 데이터 버스는 모든 장치에 공유되기 때문에 이를 제어할 수단이 필요하다.

중앙처리장치 ←(제어 신호)→ 기억 장치, 입출력 장치

제어 신호 종류: 기억장치 읽기 및 쓰기, 버스 요청 및 승인, 인터럽트 요청 및 승인, 클락, 리셋 등

읽기 동작과 쓰기 동작을 모두 수행한다.

즉, 양방향 버스이다.

 

컴퓨터는 기본적으로 읽고, 처리하고, 저장하는 과정으로 이뤄진다.

(READ → PROCESS → WRITE)

이 과정을 진행하면서 끊임없이 RAM과 소통한다. 이때 운영체제가 64bit라면, CPU는 RAM으로부터 데이터를 한 번에 64bit씩 읽어온다.

 

 

 

출처

https://gyoogle.dev/blog/computer-science/computer-architecture/%EC%BB%B4%ED%93%A8%ED%84%B0%EC%9D%98%20%EA%B5%AC%EC%84%B1.html

https://velog.io/@on-n-on-turtle/%EC%9A%B4%EC%98%81%EC%B2%B4%EC%A0%9C-%EF%BD%9C-%EC%BB%B4%ED%93%A8%ED%84%B0-%ED%95%98%EB%93%9C%EC%9B%A8%EC%96%B4-%EA%B5%AC%EC%A1%B0

https://velog.io/@fldfls/%EC%8B%9C%EC%8A%A4%ED%85%9C-%EB%B2%84%EC%8A%A4-System-Bus

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중앙처리장치(CPU) 작동 원리

구성

연산장치, 제어장치, 레지스터 3가지로 구성된다.

연산 장치(ALU)

산술 연산과 논리 연산을 수행한다.

연산에 필요한 데이터를 레지스터에서 가져오고, 제어 장치로부터 어떤 연산을 하라는 제어 신호를 받는다. 연산 결과는 다시 레지스터로 보낸다.

 

제어 장치

명령어를 순서대로 실행할 수 있도록 제어한다.

주기억장치에서 프로그램 명령어를 꺼내 해독하고, 그 결과에 따라 명령어 실행에 필요한 제어 신호를 기억 장치, 연산 장치, 입출력 장치로 보낸다.

이들 장치가 보낸 신호를 받아, 다음에 수행할 동작을 결정한다.

즉, 명령어를 읽어 들이고 해석하고, 컴퓨터 부품들을 관리하고 작동시키기 위한 제어 신호를 내보내고 받아들인다.

 

받아들이는 신호

• 클럭 신호(클럭: 컴퓨터 부품들이 수행하는 시간 단위)
• 플래그 레지스터 속 플래그 값
• 해석해야 할 명령어
• 시스템 버스 중 제어 버스로 전달되는 제어 신호

보내는 신호

• CPU 내부에 보내는 제어 신호
  • ALU에 전달하는 제어 신호
    • 수행할 연산을 지시하기 위해
  • 레지스터에 전달하는 제어 신호
    • 레지스터 간에 데이터 이동을 시키거나 레지스터에 있는 명령어를 읽기 위해
• CPU 외부에 보내는 제어 신호
  • 메모리에 전달하는 제어 신호
    • 제어 장치가 메모리에 저장된 값을 읽거나 메모리에 새로운 값을 쓰기 위해
  • 입출력 장치에 전달하는 제어 신호
    • 입출력 장치의 값을 읽기 위해

 

레지스터

고속 기억장치이다.

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

용도에 따라 범용 레지스터와 특수목적 레지스터로 구분된다.

• 범용 레지스터: 연산에 필요한 데이터나 연산 결과를 임시로 저장
• 특수목적 레지스터: 특별한 용도로 사용
  • MAR(메모리 주소 레지스터): 읽기와 쓰기 연산을 수행할 주기억장치 주소 저장
  • PC(프로그램 카운터): 다음에 수행할 명령어 주소 저장
  • IR(명령어 레지스터): 현재 실행 중인 명령어 저장
  • MBR(메모리 버퍼 레지스터): 주기억장치에서 읽어온 데이터 or 저장할 데이터 임시 저장
  • AC(누산기): 연산 결과 임시 저장

 

동작 과정

1. 주기억장치는 입력 장치에서 입력 받은 데이터 또는 보조기억장치에 저장된 프로그램을 읽어온다.
2. CPU는 프로그램을 실행하기 위해 주기억장치에 저장된 프로그램 명령어와 데이터를 읽어와 처리하고 결과를 다시 주기억장치에 저장한다.
3. 주기억장치는 처리 결과를 보조기억장치에 저장하거나 출력 장치로 보낸다.
4. 제어 장치는 1~3 과정에서 명령어가 순서대로 실행되도록 각 장치를 제어한다.

명령어 세트: CPU가 실행할 명령어의 집합

연산 코드 + 피연산자

 

CPU는 프로그램을 실행하기 위해 주기억장치에서 명령어를 순차적으로 인출하여 해독하고 실행하는 과정을 반복한다.

명령어 사이클: CPU가 주기억장치에서 한 번에 하나의 명령어를 인출하여 실행하는 데 필요한 일련의 활동

주기억장치의 지정된 주소에서 하나의 명령어를 가져오고, 실행 사키을에서는 명령어를 실행한다. 하나의 명령어 실행이 완료되면 그 다음 명령어에 대한 인출 사이클을 시작한다.

 

인출 사이클

• PC에 저장된 주소를 MAR로 전달
• 저장된 내용을 토대로 주기억장치의 해당 주소에서 명령어 인출
• 인출한 명령어를 MBR에 저장
• 다음 명령어를 인출하기 위해 PC 값 증가시킴
• MBR에 저장된 내용을 IR에 전달

인출 후 실행 사이클

• PC를 증가할 필요 X
• IR에 MBR의 값이 이미 저장되어 있음
• AC에 MBR을 더해주기만 하면 됨

 

 

 

출처

https://gyoogle.dev/blog/computer-science/computer-architecture/%EC%A4%91%EC%95%99%EC%B2%98%EB%A6%AC%EC%9E%A5%EC%B9%98%20%EC%9E%91%EB%8F%99%20%EC%9B%90%EB%A6%AC.html

https://velog.io/@kmjstj3/CPU%EC%9D%98-%EA%B5%AC%EC%84%B1%EC%9A%94%EC%86%8C

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캐시 메모리(Cache Memory)

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

CPU가 주기억장치에서 저장된 데이터를 읽어올 때, 자주 사용하는 데이터를 캐시 메모리에 저장한 뒤 다음에 이용할 때 주기억장치가 아닌 캐시 메모리에서 먼저 가져온다. 이는 속도를 향상시킨다.

 

CPU에는 2~3개 정도의 캐시 메모리가 사용된다. L1, L2, L3 캐시 메모리이며, 속도와 크기에 따라 분류한 것으로 L1부터 먼저 사용된다.

 

듀얼 코어 프로세서의 캐시 메모리: 각 코어마다 독립된 L1 캐시 메모리를 가지고, 두 코어가 공유하는 L2 캐시 메모리가 내장된다.

• L1: CPU 내부에 존재
• L2: CPU와 RAM 사이에 존재
• L3: 메인보드에 존재

디스크 캐시: 주기억장치와 보조기억장치 사이에 존재하는 캐시

 

작동 원리

• 시간 지역성
  for나 while 같은 반복문에 사용하는 조건 변수처럼 한 번 참조된 데이터는 잠시 후 또 참조될 가능성이 높다.
• 공간 지역성
  A[0], A[1]과 같은 연속 접근 시, 참조된 데이터 근처에 있는 데이터가 잠시 후 또 사용될 가능성이 높다.

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

 

CPU가 요청한 데이터가 캐시에 있으면 → Cache Hit

없어서 DRAM에서 가져오면 → Cache Miss

 

Cache Miss

• Cold Miss
  해당 메모리 주소를 처음 불러서 나는 미스
• Conflict Miss
  캐시 메모리에 A와 B를 저장해야 하는데, 같은 캐시 메모리 주소에 할당되어 있어서 나는 미스
• Capacity Miss
  캐시 메모리의 공간이 부족해서 나는 미스

 

구조 및 작동 방식

Direct Mapped Cache

• 간단하고 빠르다.
• 가장 기본적인 구조로, DRAM에 여러 주소가 캐시 메모리의 한 주소에 대응되는 다대일 방식
• Confilct Miss가 발생한다.

Fully Associative Cache

• 비어있는 캐시 메모리가 있으면, 마음대로 주소를 저장하는 방식
• 저장할 때는 매우 간단하지만, 찾을 때가 문제다.

Set Associative Cache

• Direct + Fully 방식
• 특정 행을 지정하고, 그 행 안의 어떤 열이든 비어있을 때 저장하는 방식
• Direct에 비해 검색 속도가 느리지만 저장이 빠르다. Fully에 비해 저장이 느리지만 검색이 빠르다

 

 

 

출처

https://gyoogle.dev/blog/computer-science/computer-architecture/%EC%BA%90%EC%8B%9C%20%EB%A9%94%EB%AA%A8%EB%A6%AC.html