[컴퓨터 구조] chpater1 정리(컴퓨터 구조 및 설계)

1장 목차는 다음과 같습니다.

• 1.1 서론
• 1.2 컴퓨터 구조 분야의 일곱 가지 위대한 아이디어
• 1.3 프로그램 밑의 세계
• 1.4 케이스를 열고
• 1.5 프로세서와 메모리 생산 기술
• 1.6 성능
• 1.7 전력장벽
• 1.8 현저한 변화: 단일프로세서에서 멀티프로세서로의 변화
• 1.9 결론
• 1.10 오류 및 함정

서론 부분은 앞선 포스트에 상세히 적혀있으니, 생략하고, 1.2부터 정리하도록 하겠습니다.

1.2

컴퓨터 구조 분야의 일곱가지 위대한 아이디어 

1. 설계를 단순화 하는 추상화 -> 자원의 수가 증가함에 따라 생산성을 높이기 위한 기술 개발
2. 자주 생기는 일을 빠르게 
3. 병렬성을 통한 성능 개선
4. 파이프라이닝(명령어의 실행을 중첩시켜 프로그램을 빠르게 실행시키는 기술)을 통한 성능 개선
5. 예측을 통한 성능 개선
6. 메모리 계층 구조
7. 여유분을 위한 신용도 개선

1.3 

프로그램 밑의 세계 

각 계층을 동심원으로 나타냈을 때, 하드웨어가 가장 중심에 있고 응용 소프트웨어가 가장 바깥쪽에 있게 됩니다. 

• 응용 소프트웨어 : 상위 수준 언어(HLL)로 작성
• 시스템 소프트웨어 
  • 컴파일러 : HLL -> machine code 
  • 운영 체제(OS) : service code
    • 인풋/아웃풋 관리
    • 메모리와 저장공간 관리
    • 스케줄링, 자원 관리
• 하드웨어 
  • 프로세서, 메모리, 입출력 컨트롤러

상위 수준 언어에서 기계어 까지

1. 프로그래머가 A+B와 같은 상위 수준 언어 수식 작성 

2. 컴파일러가 이것을 번역해서 A+B를 add A, B와 같은 어셈블리 언어 문장으로 바꿈

3. 어셈블러가 A와 B를 더하라는 이진 명령어로 바꿈

 

1.4

케이스를 열고

컴퓨터의 고전적 다섯 가지 구성 요소 : 입력, 출력, 메모리, 데이터패스, 제어유닛

입출력장치 : 마이크, 키보드, 스피커, 무선 네트워크를 위한 장치

 

터치스크린 : PostPC시대의 태블릿, 스마트폰(키보드와 마우스의 역할)

 

프로세서(CPU) 내부

• 데이터패스 : 데이터 연산의 집합
• 제어 : 다양한 컴포넌트를 제어
• 캐시메모리 : 작고 빠른 메모리로서 데이터로 즉각적인 접근이 가능
  • DRAM : 작고 빠른 메모리(캐시 메모리도 이에 속함)
  • SRAM : DRAM보다 빠르지만, 집적도가 낮아서 가격이 비쌈(캐시)

데이터의 안전한 저장소

•  휘발성 메인 메모리 : 파워가 끊기면 모든 기억이 지워짐
• 비휘발성 보조기억장치 : 자가디스크, 플래시 메모리, 광학디스크

네트워크 

• 통신, 자원공유, 원격공유
• 근거리 네트워크(LAN) : Ethernet
• 원거리 네트워크(WAN) : the Internet
• 무선 네트워크 : wifi, bluetooth 

1.5 

프로세서와 메모리 생산기술

트랜지스터 : 전기로 제어되는 on/off 스위치 

집적회로의 집적도 증가  -> 용량 및 성능 증가, 비용 감소

 

반도체 기술 

실리콘 : 반도체 

화학적 처리를 거쳐 불순물을 첨가 :

전기의 양도체, 전기 절연체, 스위치

칩 생산 공정 과정

칩 생산 공정 과정 

실리콘 괴를 자른 후 20 내지 40단계의 공정을 거쳐 빈 웨이퍼에 패턴이 새겨집니다. 패턴이 새겨진 웨어퍼를 웨이퍼 검사기로 검사해서 불량 부분에 표시를 합니다. 이 웨이퍼를 잘라서 다이를 만들고, 다이의 수율은 3개가 이상이 있으므로, 17/20 => 85%입니다. 검사를 통과한 다이는 패키지에 붙이고, 남품하기 전에 다시 검사를 합니다. 

 

다이 : 웨이퍼에서 잘라낸 개개의 사각형, 칩이라고 부름 

수율 : 웨이퍼상의 전체 다이 중 양호한 다이의 비율

 

성능

성능을 바라보는 관점은 속도적인 관점과 대역폭(=처리량)의 관점 두 가지가 있습니다.

응답 시간(Response time) : 태스크를 수행하는 데 걸리는 시간-> 응답 시간의 관점에서 실행 시간이 더욱 중요

처리량(Throughput) : 일정한 시간 동안 처리하는 작업의 양 -> 작업의 양이 중요

 

Performance = 1/Execution Time = 성능 = 1/실행시간

Performance(x) / Performance(y) == Execution time(y) / Execution time(x) = n

Performance(성능)와 Execution Time(실행 시간)은 역수 관계이다.

 

경과시간

- 한 작업을 끝내는데 필요한 전체 시간(프로세싱, I/O..)

- 시스템 성능 정의

CPU 실행시간

- 프로세서가 순수하게 처리한 시간

- 사용자 CPU 시간과 시스템 CPU 시간으로 나뉨

- 프로그램에 따라서 민감하게 영향받는 시간이 다름

 

CPU 클럭

모든 컴퓨터는 하드웨어 이벤트가 발생하는 시점을 결정하는 클럭을 이용하여 만들어짐

onstant-rate clock에 의해 하드웨어 작동(연속된 시간이 아닌, 이산화된 시간에 의해서 작동)

클럭 주기: 한 사이클에 걸린 시간

클럭 속도 : 1초에 실행되는 사이클 수

 

CPU 시간

성능 개선법 : 클럭 사이클 수를 늘리거나, 클럭 속도를 높임.

 

명령어 수와 CPI (명령어당 클럭 사이클 수)

프로그램 당 명령어 수, 명령어 당 클럭 사이클 수는 평균으로 계산(만약 CPI가 다르다면, 명령어 조합에 영향을 받음)

 

ex) Computer A : Cycle Time = 250ps, CPI = 2.0, Computer B : Cycle Time = 500ps, CPI = 1.2

CPU Time(A) = Instruction Count * CPI(A) * Cycle Time(A) = I * 2.0 * 250ps = I * 500ps

CPU Time(B) = Instruction Count * CPI(B) * Cycle Time(B) = I * 1.2 * 500ps = I * 600ps

 

CPU Time(B) / CPU Time(A) => A가 1.2배 더 빠릅니다.

 

if CPI가 다른 경우

 

클럭 사이클 수

CPI 계산

 

전력과 상대 전력 

만약, 새로운 CPU가 기존 CPU에 비해 85%의 용량성 부하를 갖고, 15%의 전압, 15%의 빈도 감소를 갖는다면, 상대전력은 다음과 같습니다. 

전력 장벽(전압을 더 낮출 수 없고, 열을 제거할 수 없음)

 

단일프로세서 성능 

전력개선, 명령어 수준 병렬성, 메모리 개선으로 인해 성능 향상이 더 이상 크지 않음

 

멀티프로세서

멀티코어 프로세서 

 

한 칩당 하나 이상의 프로세서

 

명시적 병렬 프로그램을 요구

 

명령어 수준 병렬성과의 비교

하드웨어가 한 번에 여러 개의 명령어들을 처리

프로그래머들에게 숨겨져 있음

어려운 이유
성능을 중시하기에 프로그래밍이 어려움, 코어 간 공평한 분배가 어려움
통신 및 동기화 오버헤드를 줄여야 함