연산 단위, 컴퓨터 조직, 명령어 실행의 4단계

컴퓨터 연산 단위

- bit → (nibble, 기종따라 다름) → byte → word(4byte) → record(word의 집합) → (block) → file(record의 집합)

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- byte/word machine은 byte/word 단위로 넣고 빼는 것을 말한다.

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- 보수를 사용하면 감산기(subtractor) 없이 가산기만으로 연산이 가능하다.

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컴퓨터 조직

컴퓨터 조직을 개략화하면 아래와 같은 구조이다.

시스템 버스를 통해 메모리, I/O 장치, 프로세서가 값을 주고 받는 구조다.

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이걸 보다 간단하게 나타내면 아래와 같은 형태가 된다.

프로세서

아래는 프로세스의 구조이다.

교수님께서 언급하신 부분만 설명하겠다.

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임시 저장 레지스터

변수값을 임시로 저장하기 위해 사용한다.

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예시) 1 + 2 + 3 계산할 때 1+2 = 3 을 통해 3을 얻고, 3+3 을 통해 6을 얻는 과정에서 3을 얻는 과정.

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세그먼트 레지스터

세그먼트는 프로그램 또는 데이터의 논리적인 단위이다.

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즉, 연산할 프로그램 또는 데이터를 세그먼트 레지스터에 불러온다.

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몰랐는데 세그먼트가 OS의 메모리 관리 기법인 페이징과 세그멘테이션에서의 그 세그먼트였다.

 

명령어 포인터(Instruction Pointer, Program/Instruction/Local Counter)

현재 주소 또는 다음 번에 실행할 명령어가 저장된 메모리의 주소를 갖고 있는 친구다.

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세그먼트 레지스터로부터 세그먼트를 받고 그 내부에서 명령어 포인터를 통해 주소에 접근하는거지.

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주소 계산

유효 주소(Effective Address, 실제 주소)를 계산한다.

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계산 방식은 Base Register값 + Offset 값 + Index Register 값이다.

Base Register

실제 주소를 계산하기 위한 레지스터로, 전체 메모리 기준 값이다.

Offset

전체 메모리에 존재하는 프로그램 주소.

Index Register

프로그램 내부의 주소. 행렬데이터가 없으면 값은 0

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위와 같이 상대적으로 주소를 지정하는 이유는 겹침 및 공간 낭비를 방지하기 위함이다.

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명령어 큐

명령어(ADD, MOV, ...)를 임시저장할 때 필요한 큐이다.

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시스템 버스

위의 컴퓨터구조 그림에 버스가 세 가지가 있었다. 주소, 데이터, 제어 버스인데, 얘들을 통합해서 시스템 버스라고 부른다.

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주소 버스의 크기가 16비트일 때, 정보저장 가능 개수는 2^16 = 65,536개이며, 해당 컴퓨터가 가리킬 수 있는 최대 주소값은 2^16 -1 = 65,535이다. 이때, 64KByte가 메모리값이 된다.

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명령어 실행 개념

판독 사이클(read cycle)과 기록 사이클(wirte cycle)

CPU가 메모리에서 자료를 읽고, 쓰는 방식을 단계별로 나타낸 것이 각각 판독 사이클, 기록 사이클이다.

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판독 사이클(read cycle)

1단계 : CPU가 메모리로부터 데이터를 읽기 위해 필요한 버스인 '주소 버스'의 사용을 허락받기 위해 '제어 버스'에 요청을 한다.

2단계 : '제어 버스'의 승인을 받은 CPU가 '주소 버스'를 통해 필요한 데이터가 위치해 있는 주소를 메모리에 전달한다.

3단계 : 메모리가 지정된 데이터를 '데이터 버스'를 통해 CPU한테 전달한다.

4단계 : CPU가 '제어 버스'한테 다 썼다고 신호를 보낸다.

기록 사이클(write cycle)

기록 사이클도 판독 사이클과 거의 일치한다.

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차이점은 3단계에서 CPU가 '데이터 버스'를 통하여 지정된 주소에 데이터를 쓰는 것 뿐이다.

명령어의 실행

1단계, 명령어 인출(IF, Instruction Fetch)

CPU내의 IP(Instruction Pointer)가 실행할 명령어가 저장된 메모리의 주소를 갖고 있다고 했다.

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바로 위 문단의 read cycle과 write cycle의 2단계, 즉 주소 버스를 통하여 주소를 메모리에게 전달하면 메모리가 명령어를 '데이터 버스'를 통해 CPU한테 준다. 이 과정이 바로 IF인 것이다!!

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2단계, 명령어 해독(ID, Instruction Decode)

받은 명령어(ex. ADD 1000 2000)를 해독을 한다.

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3단계, 데이터 인출(DF, Data Fetch)

해독한 뒤 연산에 필요한 피연산자(1000, 2000)를 read cycle을 통해 읽어온다.

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4단계, 실행 사이클(EX, EXecution cycle)

CPU의 ALU를 통해 연산을 실행한다.

명령어 실행 속도

위 문단에서 수행한 명령어 실행 사이클의 소요 시간을 합한 것이 명령어 실행 속도이다.

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책에서는 4단계 중 호출하는 단계의 소요 시간의 합을 호출 사이클, 실행하는 단계의 소요 시간의 합을 실행 사이클이라고 하는데 교수님께서 딱히 구분할 필요가 없다고 하셨다.

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합쳐서 '기계 사이클(machine cycle)'이라고 하며, 'CPU가 메모리를 1회 접근하여 데이터를 처리하는데 소요되는 시간'이다.

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사이클이 클수록 컴퓨터의 자료 처리 속도는 느려진다.

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하나의 명령어를 실행하기 위해서는 4~200사이클이 소요된다.

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여기서 사이클의 최소값이 4인 이유는 명령어 실행사이클이 4단계이고, 각 단계가 1사이클이기 때문이다.

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사이클의 단위는 MIPS(Million Instruction Per Second, 1,000,000)이다.

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4MIPS는 1초에 4백만개의 명령어를 처리한다는 뜻이다.

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기억 장치

기억 장치라고 하면 대개 주기억장치를 일컫는 말이다.

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주기억장치와 CPU가 직접 데이터와 주소를 주고받는데, 보조기억장치에 필요한 데이터를 주기억장치에 로딩하기 위해서는 보조기억장치에 저장된 데이터의 주소가 필수적으로 지정되어 있어야 한다.

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기억장치는 딱 두 가지만 저장한다. 데이터, 프로그램.

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기억 장치의 관리 방법

선형 기억 장치

논리 주소 = 기계 주소

세그먼트 기억 장치

논리 주소 + 세그먼트 번호(오프셋 주소 있음) = 기계 주소