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05장_CPU 성능 향상 기법_이동우.md

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Chapter05 CPU 성능 향상 기법

  • 5-1 빠른 CPU를 위한 설계 기법
  • 5-2 명령어 병렬 처리 기법
  • 5-3 CISC & RISC

5-1 빠른 CPU를 위한 설계 기법

  • 클럭
  • 코어와 멀티코어
  • 스레드와 멀티스레드

클럭

  1. 컴퓨터 부품은 ‘클럭 신호’에 맞춰 일처리
  2. CPU는 ‘명령어 사이클’이라는 정해진 흐름에 맞춰 명령어를 실행.

클럭속도

  • 클럭 신호가 빠르게 반복 = 클럭 속도가 빠르다.
  • 초당 몇 번 반복, 헤르츠 단위
  • 클럭 속도가 높아지면 CPU의 성능향상이 있다. (오버클럭킹: 최대 클럭 속도를 강제로 더 끌어올리는 것)
  • 클럭 속도가 높을 수록 발열이 심해져서 성능 향상에 한계가 있음. 또한 클럭은 항상 일정하지 않음.

코어와 멀티 코어

Untitled

  • 과거엔 단일 cpu를 사용. 오늘날엔 코어가 명령어를 실행하는 부품이고 cpu에 포함.

멀티코어 CPU 또는 멀티코어 프로세서

  • 코어를 여러 개 포함하고 있는 CPU
  • 일반적으로 멀티 코어의 처리속도가 단일 코어보다 빠름.
  • 하지만 코어 수가 많다고 해도 처리할 연산과 명령어들을 분배하는 방식에 따라 연산 속도는 크게 달라짐.

스레드와 멀티스레드


스레드

  • 실행 흐름의 단위 , 독립적으로 진행되는 최소 논리적 흐름의 단위
  • cpu에서 사용되는 하드웨어적 스레드 & 프로그램에서 사용되는 소프트웨어적 스레드가 있음

hwsw


하드웨어적 스레드

  • ‘하나의 코어가 동시에 처리하는 명령어의 단위’, CPU에서 사용되는 스레드를 뜻함.

멀티스레드 프로세서 또는 멀티스레드 CPU

  • 하나의 코어로 여러 명령어(여러 스레드를 이용)를 동시에 처리하는 CPU
  • 코어에 스레드만큼의 레지스터 세트를 가지고 있음
    • 대표적으로 intel의 하이퍼스레딩
듀얼코어 4스레드 레지스터
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소프트웨어적 스레드

  • ‘하나의 프로그램에서 독립적으로 실행되는 단위’ , 프로그래밍 언어나 운영체제에 사용되는 스레드를 뜻함.
1 2
  • 워드로 예를 들면
    1. 입력 받은 내용을 화면에 보여 주는 기능
    2. 맞춤법 맞는지 검사하는 기능
    3. 자동 저장 기능
    • 기능들을 작동시키는 코드를 각각의 스레드로 만들어 동시에 실행할 수 있음.

멀티스레드 프로세서

싱글 코어 싱글 스레드 듀얼코어 4스레드(하이퍼 스레딩)
3 4
  • 2코어 4 스레드 cpu는 한 번에 네 개의 명령어를 처리 가능하여 쿼드 코어 스케줄링을 함.
  • 그래서 하드웨어 스레드를 논리 프로세서라고 부르기도 함.
논리 프로세서
5

5-2 명령어 병렬 처리기법

  • 명령어 파이프라인
  • 슈퍼스칼라
  • 비순차적 명령어 처리

클럭속도를 과하게 높이면 발열문제 발생. cpu를 어떻게 극한으로 짜낼까? => 명령어 파이프라인


명령어 파이프라인

  • 시간적 병렬 프로세서 구조
  • 클럭 단위별 명령어 처리과정
    1. 명령어 인출 (Instruction Fetch)- 무조건 실행
      • 기억 장치로부터 명령어 읽기
    2. 명령어 해석 (Instruction Decode)-무조건 실행
      • 해당 명령어 해독
    3. 명령어 실행 (Execute Instruction)
    4. 결과 저장 (Write Back)
    • 책마다 과정을 나누는 기준이 판이하게 다름
    • 같은 단계가 겹치지만 않는 다면 cpu는 각 단계를 동시에 실행할 수 있음.

  • 명령어 파이프라인 사용 X
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  • 명령어 파이프라인 사용 O
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  • 명령어 파이프라인을 사용하면 적은 시간동안 더 많은 작업량을 처리할 수 있음.
    • 파이프라인을 처리하는 도중 문제가 생기면 전체 연산과정에 문제가 생길 수 있음.
    • 각기 다른 메모리 주소를 사용하여 메모리 사용량이 높아짐.

파이프라인 위험

11

  1. 데이터 위험

    • ‘데이터 의존성’에 의해 발생. 12

  2. 제어 위험

    • 분기 등으로 ‘프로그램 카운터의 갑작스러운 변화’에 의해 발생. 13

  3. 구조적 위험

    • 서로 다른 명령어가 동시에 ALU, 레지스터 등 CPU부품 또는 메모리를 사용하려고 할 때,
    • 하드웨어가 병행 수행을 지원하지 않는 경우 자원 충돌이 발생. 14

슈퍼스칼라

  • 여러 개의 파이프라인 이용. 16

비순차적 명령어 처리

OoOE: Out-of-order execution 파이프라인의 중단을 방지하기 위해 명령어를 순차적으로 처리하지 않는 명령어 병렬 처리 기법 = ‘합법적 새치기‘

  • 데이터 위험 같이 데이터간의 의존성이 있는 경우
  • 순서를 바꿔도 무방한 명령어를 먼저 실행
  • 처리가 끝나면 새치기
③은 ①,②에 데이터 의존 ②까지 끝나고 ③진행
16 17

5-3 CISC & RISC

  • ISA(Instruction Set)
  • CISC
  • RISC

파이프라이닝 하기 쉬운 명령어?


ISA(Instruction Set)

  • 명령어 집합 또는 명령어 집합 구조
  • 일종의 CPU언어
  • CPU마다 ISA가 다를 수 있음
    • Intel CPU : x86, x84-64 ISA
    • Apple CPU : ARM ISA
x86-65, ARM의 ISA
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  • ISA가 다르면 명령어가 다름.

    • 제어장치가 명령어를 해석하는 방식

    • 사용되는 레지스터의 개수, 종류

    • 메모리 관리 방식

    • 실행파일도 명령어로 이루어져 있음

      같은 소스 코드로 이루어진 프로그램이라도 ISA가 다르면

      CPU가 이해할 수 있는 명령어도 달라지고 어셈블리어도 달라짐.


CISC

Complex Instruction Set Computer ex) Intel x-86, x86-64

가변 길이 명령어 22

  • 명령어의 형태와 길이가 다양함.

    • 상대적으로 적은 명령어로도 프로그램을 실행 = 메모리 공간을 절약

  • 적은 명령어로 프로그램 실행 = 명령어가 복잡 = 크기와 실행되는 시간이 일정하지 않음

  • 즉 명령어 하나를 실행하는데 여러 클럭주기가 필요

  • 다양한 명령어가 있지만 주로 사용되는 명령어는 일부분

    ⇒ 파이프라인을 만들기 어렵다.


RISC

  1. 일정한 명령어 길이
  2. 적은 명령어의 종류
  3. 메모리 접근을 단순화
    1. 메모리를 직접 접근하는 명령어를 load, store 두 개로 제한
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  • 대신 레지스터를 적극적으로 활용
    • CISC보다 레지스터 이용이 많고 범용 레지스터의 개수도 많다.
  • 명령어가 단순한만큼 프로그램에 실행되는 명령어의 개수가 많다.


Reference

스레드 종류가 참 많죠? 하드웨어 스레드, OS 스레드, 네이티브 스레드, 커널 스레드, 유저 스레드, 그린 스레드까지 한번에 정리해서 알려드립니다!!
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[컴퓨터구조] CPU의 기본 구조
[컴퓨터구조] 명령어 파이프라이닝
22. 컴퓨터구조 - 파이프라인과 병렬처리
중앙처리장치(CPU) - 3 (CPU 명령어 사이클)
슈퍼스칼라 & 파이프라이닝
컴퓨터의 구조: 명령어 파이프라인