컴퓨터 구조 #4 (프로세서와 명령어의 구조)

Computer

컴퓨터는 프로세서(연산장치)와 메모리(저장장치)로 구성된 장치이다.

논리회로로 만들어진 프로세서의 구조를 이해하기 위해서는 여러가지 기본 지식이 필요하다.

C언어가 기계어로 번역되어 명령이 실행되는 과정.

 

# 논리회로는 어떻게 만드나요?

@1. 논리값과 진리표

참과 거짓을 값으로 나타낸 것이다. 간단한 예를 들어보자.

현실: 철수는 배가 고프면 밥을 먹는다. 하지만 배가 고프지않으면 밥을 먹지않는다.
> 입력 : 철수가 배가 고픈가? (참/거짓)
> 출력 : 밥을 먹는가? (참/거짓)

이렇게 구성한 논리값 입력(배고픔)과 그에 따른 출력(밥먹음)을 '진리 표'로 정리하면 아래와 같다.

이 예제에서는 출력이 [밥 먹기] 하나밖에 없지만, 다른 출력이 있을 수 있다는걸 인지하자.

 

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@2. 부울 대수

위의 표를 식으로 나타내면 아래와 같다. 이렇게 만든 식을 Bool Algebra (부울 대수)라고 부른다.

논리 값의 성질을 이용하여 같은 결과가 나오는 다른 부울대수로 변형할 수도 있다. 예를 들어 배고픔을 A, 밥 안먹음을 Y라고 표기한다면 부울대수의 성질은 아래와 같다.

A (배고픔), Y(밥 안먹음)
A = Y :: 배가 고픈게 참이면 밥을 먹는 것도 참이다.
A` = Y` :: 배가 고픈게 거짓이면 밥을 먹는 것도 거짓이다.

이렇게 부울대수의 수학적 성질을 이용하여 원하는 모양의 논리식으로 변형한다.

 

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@3. 논리회로

위에서 만든 논리식을 회로로 구성한것이다. 동일한 논리식이라도 여러가지 회로 구성을 만들 수 있는데, 부울 대수의 수학적 성질을 이용하여 최적화된 회로를 설계한다. 참고로 최적화된 회로를 설계하는 방법에는 여러가지가 있는데, 방법에 대해서는 설명하면 내용이 끝도 없으니 일단 넘어가도록 하자.

[회로명, 회로그림, 해당 회로의 진리표, 부울대수]

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@4. 논리회로 설계

위와 같은 3가지 과정을 거쳐 입력에 따라 여러가지 출력을 만드는 회로를 만들 수 있다. 예를 들어 2진수 입력값에 따라 10진수 모양의 LED를 출력하는 7 Segment 회로는 아래와 같이 설계 할 수 있다. 내용만 복잡해졌을 뿐, 위의 예시와 다른 건 없다.

1. 출력을 정의하고 진리표로 만든다

2. 위에서 설명한 방법으로 입력에 따른 원하는 출력이 나오도록 논리회로를 설계한다.

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@5. 설계도를 이용한 실제 회로 제작

참고로 OR, AND 와 같은 논리회로는 트렌지스터로 만든다. 

전기로 입력신호를 주게되면 원하는 출력이 나오는 회로.

 

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# 기계어의 이해

컴퓨터가 쓰는 0과 1로 이루어진 언어이다. (00010101010001010)
논리회로를 구성하여 계산을 하고, 명령을 실행하며 필요하면 결과값도 돌려준다. 하지만 위에 나오는것처럼 간단한 회로면 모를까, 아주 작은 컴퓨터라고 해도 회로도는 말도안되게 크고 계산하는 시간이 빠르기에 사람이 기계어를 직접 외워 명령을 입력한다는건 불가능에 가깝다. 그래서 기계어를 직접 쓰지않고, 사람이 작성 가능하도록 1:1로 치환시킨 '어셈블리어'를 사용한다.

기계어로 고급언어(High-level)를 표시하는 예제

 

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# 어셈블리어

Assemble. 모으다, 조립하다
말 그대로 특정 부분 기계어를 모아 1:1로 '대칭' 시킨 언어로 만든것이다.

[덧셈,  값1,  값2]
[ 0011 0011 0010 ] 이렇게 구성된 기계어 명령을
[ add 3 2 ] 이렇게 1:1로 치환한 어셈블리어로 바꾼 것이다.

예를 들어 [ 0011 0011 0010 ] (덧셈명령 0011, 0010) 이런 컴퓨터의 명령어가 있다면
이를 [ add 3 2 ] 이런 식으로 기계어와 1:1 치환시켜 바꾼 것이다. 물론 컴퓨터에 입력할 때에는 번역기(어셈블러)를 이용하여 기계어로 번역하여 사용해야 한다.

https://joone.net/2016/12/05/4-초창기-프로그래밍/

 

실제 어셈블리어 예제. 옆에 적혀있는 01331AA.. 는 메모리 주소를 16진수로 나타낸것이다. 메모리에 있는 명령이 순서대로 실행되다 어셈블리어 명령에따라 다른 곳으로 이동하여 작동한다. (*폰노이만 구조)

 

실제로 1970년도 IBM 컴퓨터에서는 어셈블리어로 코딩하여 기계어로 변환한 값을 천공카드에 기록하여 프로그램을 컴퓨터 메모리에 적재하는 방법을 사용했었다.

https://joone.net/2016/12/05/4-초창기-프로그래밍/

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# 고급언어

아무리 어셈블리어를 사용한다 한들, CPU를 직접 다룰러면 하드웨어적인 깊은 이해는 물론이고 프로그래밍도 상당히 어렵고 번거로웠다. 

그러다보니 어셈블리어보다 이해하기 쉽고 함축적인 C언어등 좀 더 추상적이고 사용하기 편한 언어들이 나오게 되었다. 그 당시에 해당 언어를 사람이 이해하기 쉬운, 함축적인 언어라는 의미로 '고급언어'라고 부르게 된다. (기계에 가까운 어셈블리어 -> 저급언어) * 한글로 번역하니 느낌이 이상한데, 영어로는 High-Level, Low-Level이라고 부른다. 고급져서 고급언어가 아니다. 기계어에 가까운가 사람이 이해하기 쉬운가의 차이이다.

고급언어는 컴퓨터에 있는 논리회로에서 사용 할 수 있는 언어가 아니다. 그래서 [ 코드작성 -> 컴파일(어셈블리어로 번역) -> 어셈블(기계어로 번역) ] 과정을 거쳐 기계어로 변환하여 사용한다.  

최초의 고급언어에서 Java가 나온 과정.

 

 

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# (드디어) 프로세서의 구조

CPU 뒷면을 보면 입력을 위한 핀(pin)들이 있는걸 볼 수 있다. 32비트 CPU는 32개의 입력 스위치를 가진다.

컴퓨터에 중심이 되는 프로세서, 다른말로 CPU(Central Processing Unit)은 이름 그대로 엄-청 많은 논리회로들의 집합이라고 볼 수있다. CPU에 나와있는 핀들에 약속된 입력신호를 주게되면, CPU 안에 구성된 회로들이 작동해 메모리를 읽어들여 해당하는 작업을 수행하고 필요하면 결과를 메모리에 반환한다.

 

32비트 CPU? 64비트 운영체제? (긴글 주의)

• 워드 (word)
  - 해당 CPU가 사용하는 1회 데이터 처리 단위, 즉 메모리에서 레지스터로 데이터를 옮기거나, ALU을 통해 데이터를 조작하거나 할 때, 하나의 명령어로 실행될 수 있는 비트 크기를 의미한다. 예를 들어 워드 크기를 32비트로 사용하는 CPU는 1번의 연산 명령으로 32비트 정수(4바이트)를 처리할 수 있다. 이보다 더 큰 수는 여러번에 나눠 연산을 처리 해야 한다.
  
  - 즉 32비트 워드를 사용하는 CPU는 32비트 Address Bus와 Data Bus를 사용하여 메모리에 접근한다. (= 포인터의 크기 또한 4바이트이다.)
  
  
• 워드 사이즈
  - CPU에서 사용하는 워드의 크기를 '워드 사이즈'라고 한다.
  - 운영체제는 컴퓨터의 메모리 자원들을 관리하고 CPU에 명령을 전달한다. 즉 32비트 운영체제는 32비트 워드 사이즈를 사용하는 CPU에 맞춰 명령과 메모리를 다룬다고 이해하면 된다.
  
  
  
• Memory Alignment(메모리 최적화)
  - 32비트 운영체제를 사용할 때, 실제로 32비트보다 작은 데이터타입을 처리하더라도 운영체제나 컴파일러 단에서 자료형을 32비트로 조정(Alignment)한다. 즉 8비트를 사용하더라도 실제 메모리에는 32비트를 차지한다는 말이다.
  
  - 이렇게 하는 이유는 시스템의 비트 수에 맞춰 사용하는 것이 성능상에 큰 이점이 있기 때문이다. 만약 8비트짜리 공간을 32비트를 4칸으로 나눠 저장한다고 생각해보자. CPU는 32비트 단위로 연산을 하므로 메모리에  값을 꺼내기 위해서 32비트를 4개로 쪼개고 각각의 값을 분리하는 복잡한 과정을 거쳐야한다. 하지만 시스템 비트 수에 맞춰 8비트 -> 32비트로 크기를 승급, 정렬시키면 한번의 연산으로 하나의 값을 쉽게 처리 할 수 있다
  
  - 만약 네트워크 전송등의 목적으로 크기를 승급시키지 않고 32비트 안에 여러 데이터를 넣는 경우도 있는데, 이러한 작업을 패킹(packing)이라고 표현한다. 또는 메모리 성능을 극대화하기위해서 32비트안에 여러 값들을 넣어놓고 비트마스킹, 비트 쉬프트를 이용해서 사용하는 방법도 있긴하다.
  
  - 여담으로 데이터의 크기는 CPU에서 사용하는 워드사이즈의 배수로 가지면 연산성능이 좋아진다. 그래서 고급언어의 자료형들이 char(8), short(16), int(32), double(64) 처럼 자료형의 크기를 워드사이즈의 배수로 지정해논 것이다.

 

• 근데 64비트 CPU에 32비트 운영체제를 사용하는 경우도 있잖아요?
  - 이는 최근에 나온 64비트 CPU가 지원하는 하위 호환기능이다. 물론 64비트로 설계된 CPU에 32비트 운영체제를 설치하게되면 프로세서의 성능은 상당히 떨어지게 된다.
  
  - 반대로 64비트 운영체제에서 하위 호환 기능을 이용하여 32비트로 구현된 프로그램들을 실행시킬수도 있다. 윈도우에서는 32비트 운영체제로 설계된 프로그램을 위해 Program Files(X86)를 따로 제공한다.
  
  

  CPU	운영체제	호환 가능여부	동작 워드 크기
  32bit CPU	32bit OS	O	32bit
  	64bit OS	X (사용 불가능)
  64bit CPU	32bit OS	O	32bit (하위호완, 성능하락)
  	64biy OS	O	64bit

  

  
  - 참고로 기존의 32비트를 사용하는 Intell 제품은 386, 586 컴퓨터라고 불렸다. 그래서 지금도 32비트, 64비트라고 표현하지 않고 x86, x64 라고 적기도 한다. 

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# 프로세서(CPU)의 내부 구조

현대의 CPU의 내부는 상당히 복잡하지만, 큰 그림으로 보면 3가지 장치로 구성되어 있다고 말할 수 있다.

* 물론 실제 CPU 칩 내부에는 프로세스 기능 외에 I/O 입출력장치, 타이머, 내장그래픽등등 다양한 기능이 내장되어있다.

• ALU (Arithmetic logic unit, 산술 연산 유닛) :  이름 그대로 '계산'을 하는 간단한 논리회로이다.
• CU (Control Unit, 제어 유닛) : 다른 장치에게 동작/제어 명령을 발생시키는 장치이다.
• Register(레지스터) : CPU 내부에 있는 메모리로 각종 정보나 연산결과를 임시로 저장 할 수 있는 '아주 빠른 메모리' 이다. CPU를 어떻게 설계하느냐에 따라 레지스터의 같이 구성도 달라진다.
  * 레지스터는 정말 빠르고 작은 메모리이다. 크기가 작은 이유는 단순히 가격이 바싸서 그렇다기보다는, CPU의 처리속도에 맞게 제작되기 때문일 것이다.(메모리가 굳이 쓸때 없이 클 필요가 없어서, 그 외 사용상 복잡함 등등)

 

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# CPU의 동작원리

생각보다 CPU의 기본 원리는 간단하다.

Sum = a+b 라는 연산을 하고싶다고 치자.

1. CPU 내의 메모리(레지스터)에 a와 b의 값을 입력 한다.
2. CPU에게 a,b[R0, R1] 와 저장할 곳[R2] 의 위치값과 덧셈 명령신호[ADD] 를 합쳐 입력을 만든다.
    $1100_{덧셈명령}$  $0000_{R0}$  $0001_{R1}$  $0010_{R2}$  ➔  [1100000000010010]

3. CPU는 해당 입력을 전기신호로 받아 내부에 구성되어있는 논리회로를 이용해 결과를 반환한다.
4. 반환된 값은 레지스터를 이용하여 메모리에 저장한다.

CPU는 상당히 복잡하고 빠른 장치이기에 명령신호는 직접 입력하지않고 폰노이만 구조를 이용하여 미리 기록되어있는 '외부 메모리'에서 읽어온다. 여기서 외부메모리 안에 저장되어있는 명령 신호들을 우리는 프로그램 또는 소프트웨어라고 부른다.

여기에서 덧셈을 하는건 ALU(Arithmetic-Logic Unit)라는 산술 계산용 논리회로를 이용하는데, ALU는 어렵지 않게 만들 수 있다. 하지만 CU(control unit) 회로는 명령이 [덧셈]인지, [나눗셈]인지 혹은 [다른 특수한 명령]인지는 간단하게 구분 할 수는 없다. 또한 명령을 구분하여 CPU를 다르게 동작시키는건 더더욱 어렵다. 

* CU는 복잡할 지 몰라도, ALU는 우리가 직접 만들 수도 있다. 말 그대로 계산을 하는 회로이기 때문이다.
* 레지스터는 정말 빠르고 작은 메모리이다. 크기가 작은 이유는 단순히 가격이 바싸서 그렇다기보다는, CPU의 처리속도에 맞게 제작되기 때문일 것이다.(명령신호, 정보들은 짧은데 메모리가 굳이 쓸때 없이 클 필요가 없어서, 그 외 사용상 복잡함 등등)

 

CU를 설계하는건 프로세서에서 사용할 명령어를 구성하는 방법에 따라 달라진다. 대표적으로 2가지 방법이 있다.
방법1. CPU 내부에 작은 명령들을 ROM에 저장해뒀다가 찾아서 실행하는 (마이크로 프로그래밍) 방식
방법2. 속도향상을 위해 아예 명령체계까지 논리회로로 구성하는 방식 ( 입력 : 0011  -> 결과 : 덧셈실행)

여기에서 방법1을 CISC (Complex Instruction Set Computer), 방법2를 RISC(Reduced Instruction Set Computer) 구조라고 부른다.

 

 

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# 컴퓨터의 명령어 (Instruction)

- 해당 내용은 너무 깊은 내용이라, 나중에 따로 다루도록 하겠다. 키워드는 아래와 같다.

어셈블리어의 동작

연산은 레지스터에서만! Load/Store 명령어 구조의 필요성
    - ARM CPU의 RISC 방식
    - 인텔은 왜 이 구조를 따르지 않을까? (사실 내부적으로는 다 사용하고 있지롱)
N-Address 구조와 하드웨어 독립성
메모리와 서브루틴(함수)

 

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# 프로세서 구조의 종류, CISC와 RISC 비교

프로세서의 종류는 명령어의 구조 (Instruction Set)을 어떻게 만드느냐에 따라 달라진다. 대표적인 명령어 구조는 CISC와 RISC 방법이 있다.

CISC와 RISC는 명령어를 처리하는 계층이 다르다.

 

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@1. CISC 구조 (Complex Instruction Set Computer)

한글로 직역하면 '복잡하고 다양한 명령어 구성의 컴퓨터' 라고 할 수 있겠다. 

CPU에 사용할 명령어를 내부에 '메모리'에 구현해뒀다가 사용하는 방식이다. 명령을 만드는데 큰 제약이 없어 길이, 방식에 상관없이 복잡한 명령을 하나로 줄일 수 있다. 그래서 '마이크로 프로그램 방식' 이라고도 부른다.

C언어처럼 일종의 CPU 전용 고급언어를 만든 것과 비슷하다. 실제 사용할 때에는 해당 명령어를 저장한 메모리를 읽어들여 실제 CPU 입력하는 명령어으로 바꾼다. 

프로그래머(혹은 기계어로 번역해주는 컴파일러)입장에서는 이 방식이 훨씬 쉽다. 하지만 하드웨어적인 측면, 즉 실제 동작을 할때에는 여러 명령을 하나로 줄여논거라 기계어와 실제 동작은 더 복잡해져 CPU의 속도가 느려지고 전력소모가 증가한다. 

• 1. 명령어를 내부 메모리에 따로 저장하여 사용한다.
    ( = 복잡한 명령을 구현하기 쉽다. 즉 적은 레지스터로 원하는 명령을 구현 할 수 있다.)
• 2. 명령어의 구성이 자유로워 여러 작업을 쉽게 처리하는 복합 명령어가 많다. ( 길이, 갯수 다양)
    ( = 하지만 기계어, 즉 하드웨어 작업은 복잡해진다.)
• 3.  메모리를 직접 관리하지 않는다.
    ( = Load/Store 명령은 다른 명령어 안에 내장되어있다.)

 

 

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@ 2. RISC 구조 ( Reduced Instruction Set Computer)

축약된 명령어 구성의 컴퓨터.

CISC는 내부에 따로 메모리를 두어 명령어를 저장하여 사용하는 반면, RISC는 명령어 체계 전부를 논리회로 입출력으로 직접 구현한다. 그렇기에 저장된 명령어를 읽어 사용하는 CISC보다 압도적으로 실행속도가 훨씬 빠르다.

하지만 명령들을 논리회로로 설계하는 작업은 정말 어렵고, 설계를 겨우 했다고 하더라도 명령어를 추가 하게 된다면 논리 회로를 완전 새롭게 구성해야하고 명령어의 개수가 많을 수록 회로가 더 복잡해져 프로세서의 성능이 하락한다. 그렇기에 RISC는 명령어를 최대한 간단하게 만들고 명령어 갯수를 줄여서 사용한다.

CISC의 경우 명령을 메모리에 저장하면 되기에 레지스터를 굳이 많이 사용할 필요도 없고, 가변길이의 레지스터를 사용해도 되지만, 논리회로에 의존하는 RISC의 경우 사용하는 범용 레지스터의 개수가 많고, 성능을 위해 고정된 길이(ex 32비트)의 레지스터를 사용한다.

 

• 1. 한 명령당 한 작업을 실행한다.
          (= 기계어, 즉 하드웨어 작업이 간단해진다. )
• 2. 명령어의 길이가 일정하고 갯수가 적다. 
          ( = 작은 명령으로 많은 작업을 해야된다. 코드가 길고 복잡해서 컴파일러가 번역하기 복잡하다.)
• 3. 메모리 명령(Load/Store)을 직접 구성하여야 한다.
          ( = 복잡한 명령을 구현할려면 레지스터가 많이 필요하다. )

초기의 컴퓨터는 명령어 갯수가 많지 않아서 그냥 단순하게 회로로 구현한 RISC였다. 하지만 명령어가 점차 늘어나고 메모리가 부족해지자 CISC 방식으로 바꾸어서 개발하기 시작했었다. (당시 Intel CPU)

하지만 최근(2010년이후)에 CPU의 성능을 극대화 시킬 필요가 생기고 컴퓨터의 대부분의 자주쓰는 명령은 전체중 일부밖에 안된다는 연구결과와 병렬처리(파이프라이닝)을 구현하기에 RISC가 적합하여 다시 RISC로 바뀌고 있다. Intel CPU의 경우 호환성을 위해 외부적으로는 CISC 방식이지만, 내부 구현을 거의 RISC와 유사하게 최적화 했다고 한다.

* 사실, 현대의 프로세서의 구조는 상당히 복잡하고, 내부적으로 CISC, RISC 두개의 장점을 합쳐서 만들었기에 어떤 회사의 명령어 방식이 더 좋냐고 비교하는건 의미가 없을 수도 있다.
* intel, HP에서 개발한 EPIC라는 구조도 있다. (RISC와 조금 유사하지만 다르다, 병렬처리 효율의 극대화라던가?)
* 참고로 AMD는 RISC 방식으로 설계된 CPU이다.

 

 

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@3. CISC와 RISC의 비교

예를 들어 곱셈을 컴퓨터에게 명령한다고 치자.

CISC는 내장된 명령을 찾아서 실행하기 때문에 단순히 명령 하나면 치면 된다. (* 물론 설명용이지 실제 명령은 이렇게 안생겼습니다.) 

MULT A, B (A, B안의 있는 수를 곱해 A에 넣는다.)

이런 명령을 복합 명령어(Complex Instruction)이라 부르는데, 이는 하드웨어에 내장된 명령을 찾아 실행하기 때문에, 프로그래머가 변수나 메모리를 직접 관리 (load/store)할 필요가 없다. 그렇기에 프로그래머가 만드는 코드는 상대적으로 짧아지고, 간편해지지만, 하드웨어(CPU) 입장에서 메모리에 내장된 여러 명령들이 실행되기에 더 복잡해진다.

RISC는 명령을 논리회로로 구성하기 때문에 상대적으로 명령을 많이 가질 수 가없다. 그래서 최소한의 간단한 명령들만 사용하여 구성해서 내부적인 메모리도 직접 관리해야한다. 곱셈을 예를 들어보자.

LOAD p0 , A ( 메모리A 에 있는 내용을 p0 레지스터로 옮긴다. )
LOAD p1, B ( 메모리B 에 있는 내용을 p1 레지스터로 옮긴다. )
PROD p0, p1 ( p0과 p1을 곱한내용을 p0에 넣는다. )
STORE A , p0  ( p0의 내용을 메모리 A로 옮긴다. )

이와 같이 RISC는 직접 메모리에서 꺼내오고, 다시 넣는 작업까지 다 프로그래머가 관리 하여야 한다. 그래서 명령이 복잡해 질 수록 사용하는 레지스터 량도 늘어나지만, 하드웨어(CPU)의 입장에서는 작업이 더 단순하고 명료해진다.

참고로 RISC는 명령어 하나가 한 작업만 하기에 파이프라이닝 구현에도 이점도 있다.

좀 더 자세한 RISC, CISC 비교

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# 수고하셨습니다.

컴퓨터 아키텍쳐는 이정도만 알고 넘어가면 된다. 이후 전공과 관련된 지식들은 운영체제를 공부해서 더 알아보도록 하자. 참고로 운영체제에서 추가로 배울 컴퓨터 아키텍쳐에 관한 지식은 다음과 같은데, 굳이 찾아서 공부할 필요는 없다. 운영체제를 배우다 보면 자연스럽게 알게되는게 대부분이다.

 

1. 프로세스 구조
fetch 와 execute, 프로세스의 동작 구조
프로세스의 동작 구조(그림)
속도를 늘리는 방법
    - clock 수를 늘린다?. 효과없음
파이프라이닝
    - 설계
    - 문제점

2. 메모리 구조
메모리의 내부구조
메모리의 계층구조
    - 캐시메모리
    - 지역성의 원리, 시간(Temporal)
캐시메모리
    - 캐시 메모리 내부에서의 가성비 (다른방법)
    -  멀티 캐시(내부적으로 하버드구조)
    - cpu와 캐시메모리 그림

3. 인터페이스 구조
직렬과 병렬
현재 사용하는 인터페이스들
오류체크

전송방식(동기,비동기)
strobe와 handshaking

연결망의 구조(interconnection , 토폴로지)
  - 왜 bus를 사용할까?

4. I/O의 사용
입출력장치의 주소지정방식(Port)
CPU와 I/O 입출력

5. 보조메모리의 구성
CD와 하드. 서버의 하드구성
보조메모리를 백업하는 RAID 방식