[멀티코어CPU] 02. 프로세스의 기본 부품 / 성능 지표

 

 

정내훈 교수님이 추천한 책

「 프로그래머가 몰랐던 멀티코어 CPU 이야기」 - 김민장 지음 

위의 책을 토대로 공부한 내용이 작성되었음

 

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- 마이크로아키텍처 (Microarchitecture)

 : 마이크로프로세서 하나를 만들 때 필요한 알고리즘과 회로 수준의 구조를 정의하는 것

 : 1) 마이크로아키텍처 설계 : 시뮬레이터 위에서 코드가 성능 향상을 보인다면 이 알고리즘은 RTL 언어로 기술됨

 : 2) 로직 설계 : RTL을 실제 하드웨어 구현에 적합한지 테스트하고 가다듬어 HDL 언어로 바꿈

 

 

 

- 산술 논리 장치 (ALU)

 : 계산을 담당하는 장치

 : 정수 사칙 연산 (+, -, *, /), 비트 논리 연산, 비트 시프트 연산

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%82%B0%EC%88%A0_%EB%85%BC%EB%A6%AC_%EC%9E%A5%EC%B9%98

 

 

 : 부동소수점 → 실수 처리의 표현 형태 (최상위 1비트 부호, 나머지 비트를 지수와 가수로 표현)

  → 32비트 단정도 float - 8비트 지수, 23비트 가수 / 64비트 배정도 double - 11비트 지수, 52비트 가수

  → 16비트라면 2의 16승만큼의 표현이 가능할 수 있지만, 실수 데이터는 근사적 차이가 있음

  

 : 산술 비용과 시간  → 프로세서는 처리 시간에 따라 단순 정수 연산, 복잡 정수 연산, 부동소수점 계산으로 분리해 처리

 

 

 

- 클록 (clock)

 : 프로세서가 처리하는 명렁 하나는 여러 마디로 구분이 가능함

 : 이 마디를 디지털 회로에서 상태라고 함

 : 명령어는 이 클록에 맞춰서 처리됨

 : 2GHz의 프로세서 → 1초에 20억 번의 클록 신호 발생 (이상적 : 1초마다 20억개의 연산 완료)

 

 

 

- 메모리 계층

 : 메모리 대역폭과 레이턴시를 얼마나 개선하는가 → 컴퓨터 성능 향상에 큰 영향

   (대역폭 : 단위 시간에 얼마나 많은 데이터가 흐를 수 있는가, 레이턴시 : 원하는 작업을 완료하는데 소요되는 시간)

 : DRAM으로 구현 →  프로세서에서 멀리 떨어져 있음 → 캐시 메모리가 필요함

https://velog.io/@emplam27/CS-%EC%BB%B4%ED%93%A8%ED%84%B0-%EC%8B%9C%EC%8A%A4%ED%85%9C-1.51.7%EC%9E%A5-%EC%BA%90%EC%8B%9C-%EB%A9%94%EB%AA%A8%EB%A6%AC-%EC%9A%B4%EC%98%81%EC%B2%B4%EC%A0%9C

 

 : 맨 위로 갈 수록 가장 빠르면서 값은 싸고, 용량은 적음 (내려갈 수록 반대)

 

 : 범용레지스터(GPR)  → 내부 임시 저장 장소

 : 프로그램 카운터(PC) 레지스터 → 현재 수행 중인 명령어 주소 (중단점) - x64 : RIP

 : 컨트롤 레지스터 → 시스템 내부 상태 관리

 : 위의 3개의 레지스터 → 프로그래머가 볼 수 있는, 보통 구조 레지스터

 

 : 외부로 노출되지 않은 레지스터 → 물리 레지스터

 

 : 컴파일러는 최대한 레지스터를 효율적으로 쓰도록 최적화.

 : 레지스터에 여유가 있다면 불필요한 변수를 실제 메모리에 할당하지 않고 레지스터로 대체하는 최적화 진행

 

 

 

- 프로세스와 스레드

 : 스레드가 프로세서를 사용하는 최소 단위.

 : 스레드는 자신의 레지스터 상태나 호출 스택의 상태를 갖고 있어 하나의 실행 흐름 유지

 : 프로세스는 PID, 주소 공간, 프로세스 우선순위, 현재 열려있는 파일 목록 등의 정보를 갖고 있음 이 정보가 문맥(context)

 : 선점형 멀티태스킹 구현 - 라운드 로빈 스케줄링

 

 

 

- 가상 메모리 (virtual memory)

 : 물리 메모리보다 더 큰 메모리를 가능하게 하며, OS의 안정성을 크게 높임

 : 하드웨어가 가상 메모리를 실제 메모리로 변환하는 작업을 다루어 처리 속도 향상함

 

 : 가상 메모리에서 물리 메모리로의 변환 - 주소를 변환하는 함수를 만들어야 하고 그 변환 내역을 기억.

 : 주소 변환을 용이하게 하고자 OS는 페이지라는 고정된 크기로 나누어 관리함

 : 가상 메모리는 항상 페이지 단위로 할당하고 반환함

 

 : 페이지 폴트 → 가상 주소의 사상 관계가 아직 페이지 테이블에 없는 예외 상황이 될 경우, 이 상황이 발생하면 프로그램의 실행을 잠시 멈추고 제어권을 OS에게 돌려줌, OS는 이 페이지 내용을 읽어 메인 메모리 어딘가 저장하고, 유효한 사상 관계를 페이지 테이블에 써준 후 프로그램 다시 실행

 

 

 

- 암달의 법칙(Amdahl's law)

 : 아무리 최적화 해도 이 부분으로부터 영향 받지 않은 다른 부분으로 그 효과는 제한적일 수 있다

 : 프로그램 성능 개선을 할 때 헛된 곳에 시간을 낭비하지 말고 가장 많은 시간이 소요되는 곳에 집중해라

 

 

 

- 프로그램 수행 시간과 성능 향상

 : CPI를 사용한 프로그램 실행 시간 → T = N * CPI * T 

 : T는 사이클, CPI는 명령어당 평균 소요 사이클, N은 실행한 명령어 개수

 

 1) 명령어 개수 N 줄이기 : 컴파일러가 큰 역할 가능, 함수 인라인화, 루프 풀기 등등

 2) CPI 줄이기 : 컴퓨터 내부 구조 영향이 큼, 이후에 계속 알아볼 것

 3) 클록 속도 높이기 : 클록을 결정 짓는 주요 요소는 한 사이클에 완료해야 하는 양임 → 파이프라인 등