[컴퓨터 밑바닥의 비밀] 4장. CPU

4. 트랜지스터에서 CPU로, 이보다 더 중요한 것은 없다.

4.1 이 작은 장난감을 CPU라 부른다.

 

CPU 의 발전은 트랜지스터에서 왔다.

단지 한쪽에 전류를 흘리면 나머지 단자 두 개에 전류가 흐르게 할 수도 있고 흐리지 못하게 할 수도 있다.

 

즉, 트랜지스터로 논리곱, 논리합, 논리부정을 나타낼 수 있다.

 

1) 논리곱: 스위치 두 개가 동시에 켜질 때만 전류가 흐르고 등이 켜진다.

2) 논리합: 두 스위치 중 하나라도 켜져 있으면 전류가 흐를 수 있으며 등이 켜진다.

3) 논리부정: 스위치를 닫으면 전류가 흘러 등이 켜지지만, 스위치를 열면 전류가 흐르지 않고 등이 꺼진다.

 

논리합, 논리곱, 논리부정게이트로 CPU의 가장 중요한 능력인 ‘연산’을 설계할 수 있다.

 

CPU는 0, 1의 2진법만 알고 있다. 2진법의 덧셈은 아래와 같다.

 

0 + 0 의 결과는 0. 자리 올림수는 0.

0 + 1 의 결과는 1. 자리 올림수는 0.

1 + 0 의 결과는 1. 자리 올림수는 0.

1 + 1 의 결과는 0. 자리 올림수는 1.

 

자리 올림수만 보면 두 입력 값 모두가 1일 때만 1 이다. => 논리곱 게이트

결과만 보면 두 입력 값이 서로 같으면 0, 다를 때 1이다. => 배타적 논리합(XOR)

이진수의 덧셈을 논리곱, 배타적 논리합 게이트로 나타내면 위 그림과 같다.

이것이 가산기(adder)의 모습이다.

 

즉, CPU 의 연산처리장치(ALU)의 근본은 트랜지스터 > 논리게이트 > 가산기에서 나온다.

 

다만 위의 그림까지는 입력을 기반하여 출력을 내보낼 뿐이다.

위 구조(연산능력)에 정보를 저장할 수 있는 회로를 추가해서 ‘레지스터’가 발명되었다.

또한, 더 많은 정보를 저장하고 주소 지정 기능을 추가하여 ‘메모리’가 탄생했다.

 

그럼 모든 연산 논리를 이렇게 회로 같은 하드웨어로 표현해야 하는가 ? X

기본적인 기능으로 소프트웨어로 표현하는 것이 가장 이상적이다. 명령어로 CPU 에게 할일을 알려주자.

 

소프트웨어와 하드웨어 간의 인터페이스 == 명령어 집합.

0, 1로 된 기계 명령어로 직접 프로그래밍 하자니 매우 번거로워서 고급 프로그래밍 언어가 나왔다. 기계 명령어 -> 고급 프로그래밍 언어

 

다음으로 각 부분의 회로가 함께 작업할 수 있도록 조정하거나 동기화하는 역할이 필요하다.

CPU의 지휘자 역할 == 클럭 신호(Clock Signal)

 

클럭 주파수(Clock rate)? 1초 동안 지휘봉을 몇 번 흔드는가.

클럭 주파수가 높을 수록 CPU 가 1초에 더 많은 작업을 할 수 있음을 의미한다.

 

산술 논리장치, 정보를 저장할 수 있는 레지스터, 작업을 함께하도록 제어해주는 클럭 신호. 이 3개를 한데 묶은 것이 중앙 처리 장치(CPU) or 프로세서(processor)이다.

2. CPU는 유휴 상태일 때 무엇을 할까?

 

프로세스는 152개가 열려있음에도 CPU 사용률은 매우 낮다.

프로세스 대부분은 아무런 작업을 하지 않고 특정 이벤트가 발생할 때까지 대기만 하고 있다.

 

실제로는 System Idle Process 가 모든  CPU 시간을 소모하고 있다.

 

운영체제는 프로세스에 운영체제를 할당하고 우선순위에 따라 스케줄러가 스케줄링을 한다. 대기열에 프로세스를 두고 우선순위에 따라 실행하는 것이다.

 

즉, CPU 유휴 상태란 대기열이 비어 있어서 현재 운영체제는 스케줄링할 프로세스가 없는 상태이다.

 

대기열이 비어있는지를 계속 확인해야할까? X.

유후작업이라는 프로세스를 항상 준비 완료 상태에 두고 시스템에 스케줄링 할 프로세스가 없을 때 유후 프로세스를 꺼내서 실행한다. 이게 바로 System Idle Process.

System 명령어로는 halt 명령어를 호출하는 상태이며 이 때 CPU는 저전력 상태가 된다.

4.3 CPU는 숫자를 어떻게 인식할까?

 

1) 부호-크기 표현: 최상위 1비트를 부호 비트로 두는 것.

0000 0

0001 1

…

0111 7

1000 -0

1001 -1

…

1111 -7

 

2) 1의 보수 표현: 양수를 비트 반전 시키는 것.

0000 0

0001 1

…

0111 7

1000 -7

…

1110 -1

1111 -0

 

3) 2의 보수 표현: 현대 컴퓨터 시스템에 사용되는 숫자 표현 방식

0000 0

0001 1

…

0111 7

1000 -8

1001 -7

…

1110 -2

1111 -1

4.4 CPU가 if문을 만났을 때

 

리눅스의 perf 도구로 프로그램 실행 상태에 대한 초기 단계를 분석해보자.

 

정렬된 배열로 실행된 프로그램 vs 정렬되지 않은 배열로 실행된 프로그램

분기 예측 실패율(branch-misses)이 0.02% vs 14.12% 차이가 난다.

 

이전 명령어 실행이 완료되기 전에 후속 명령어가 파이프라인에 들어가야 빈 공간없이 시간을 사용할 수 있다. 즉, CPU는 어디로 분기할 가능성이 있는지 추측을 하며 명령어를 실행한다. 이를 ‘분기예측’이라 한다.

 

즉, 정렬되지 않은 배열을 사용하면 분기 예측 실패율이 높아서 프로그램 성능이 떨어진다. CPU가 높은 확률로 추측할 수 있도록 코드를 작성해야 하는 이유이다. likely/unlikely 매크로가 있는 이유.

4.5 CPU 코어 수와 스레드 수 사이의 관계는 무엇일까 ?

 

CPU 코어 수: 요리사 수.

스레드 수: 일정 시간 동안 볶을 수 있는 요리 수.

 

에 비유할 수 있지만 CPU 는 하드웨어, 스레드는 소프트웨어 이므로 필연 관계는 없다.

 

작업 하나를 여러개로 분할해서 각각의 하위 작업을 별도의 스레드에 배치하면 운영 체제에서 이를 스케줄링하고 실행할 수 있으므로 동시에 여러 작업을 실행할 수 있다.

4.6 CPU 진화론(상): 복잡 명령어 집합의 탄생

 

*복잡 명령어 집합 컴퓨터(Complex Instruction Set Computer, CISC)

x86구조는 복잡 명령어 집합에 기초를 두고 있다. x86 프로세서를 생산하는 대표 제조업체는 Intel 과 AMD 이다.

 

메모리 용량이 작았던 옛날에는 코드도 저장공간을 차지하기에 작은 코드로 많은 기능을 할 수 있는 복잡 명령어 집합이 많이 발전했다. 마이크로 코드.

 

다만 마이크로 코드의 오류 수정이 매우 어려웠고 트랜지스터를 매우 많이 소모했다.

4.7 CPU 진화론(중): 축소 명령어 집합의 탄생.

 

마이크로 코드를 제거하면 오히려 프로그램이 더 빨리 실행되고 CPU를 구성하는 데 사용되는 트랜지스터를 절약할 수 있다.

 

즉, 축소 명령어가 하나의 명령어 당 들여야 하는 연산이 더 간단해서 빠르다. 명령어 실행 시간을 대체적으로 동일하게 하여 가능한 한 파이프라인이 더 높은 효율로 기계 명령어들을 처리할 수 있게 한다.

 

복잡 명령어: 먹는다.

축소 명령어: 이로 한 입 베어 무는 것.

4.8 CPU 진화론(하): 절체절명의 위기에서 반격.

 

복잡 명령어 집합의 명령어를 CPU 내부에서 축소 명령어 집합의 명령어로 변환.

복잡 명령어 집합의 호환성을 유지하면서 축소 명령어 집합의 장점을 얻을 수 있는 방법으로 진화.

 

*하이퍼스레딩 == 하드웨어 스레드 기술 개발

: 실제로는 컴퓨터 시스템에 물리 CPU 코어가 하나만 있지만 운영 체제는 논리적으로 CPU 코어가 여러 개 있는 것으로 인식하게 하는 것.

4.9 CPU, 스택과 함수 호출, 시스템 호출, 스레드 전환, 인터럽트 처리 통달하기

 

함수 호출: 코드 재사용성 개선

시스템 호출: 운영체제에 요청

프로세스와 스레드 전환: 다중 작업 가능

인터럽트 처리: 운영 체제가 외부 장치를 관리할 수 있음.

 

*레지스터: CPU 가 메모리에 접근하는 속도의 1/100 로 레지스터에 접근하는 속도가 빠름. 제조비용이 비싸서 용량에 한계가 있음. 

 

• 스택 포인터

 

• 명령어 주소 레지스터(프로그램 카운터, PC)

 

• 상태 레지스터

 

• 상황 정보

 

• 함수 호출과 실행시간 스택

 

• 시스템 호출과 커널 상태 스택

 

• 인터럽트와 인터럽트 함수 스택

 

• 스레드 전환과 커널 상태 스택