[Computer Architecture] 03.08 컴퓨터 구조

Review)

instruction: 컴퓨터가 알아듣도록 컴퓨터에게 내리는 명령, 기계가 알아듣도록 하는 기본 function

• turn left, turn right, …(기본적인 동작부터 복잡한 동작까지 있음)
• 이것이 명령어

hareware: processor가 어떻게 만들어져있는지

instruction set (spec,스펙): 하드웨어가 어떻게 만들어져 있는지

Instruction Set Architecture(ISA): Hardware와 Software의 bridge 역할

microarchitecture

RISC-V 새로 나옴, Open source로 공개 되어 있다.

• 원하는만큼 processor를 만들 수 있다.

우리 수업에서는 MIPS를 사용할 것임

---

목차

1. Performance(중요)
   • 하드웨어가 얼마나 잘 만들어져 있는지, 잘 만든다는 게 무엇일까?
2. Instruction Set
3. 1에 대한 Micro Architecture(Hardware)
4. Memory
5. I/O
6. Parallel-computer

Computer Architecture

• What is Computer Architeture?

  • a set of rules starting how software and hardware join together and interact to make them work
  • Structure and behavior of the computer as seen by the user(programmer)
  • specification describing how hardware and software technologies interact to create a computer platform of system.(spec이라고도 함.)

• Three categories of computer architecture

  • lSA (instrsuction set architecture)
  • Microarchitecture (computer organization): tells how ISA are implemeted(하드웨어)
  • System design: includes all of the other hareware components(DMA, virtualization, multiprocessing, GPU, memory controller, etc.)

• CISC and RISC

  복잡하고 간단한 명령들이 나열되어 있음

  • CISC (complex instruction set architecture)
    • many complex instructions(fewer lines of code, less memory, but take longer to complete instructions)
    • 자주 쓰이는 것이 있고 자주 쓰이지 않는 것이 공존하여 굉장히 복잡한 것
    • ex) x86
  • RISC (reduced instruction set architecture)
    • keep hardware as simple and fast as possible(complex instrcutions can be performed with simpler instruction)
    • 자주 쓰이지 않는 것은 만들지 않고 자주(많이) 쓰이는 것들로만 구성한 것
    • 그럼 자주 쓰이지 않는 것은 어떻게 만들까?
    • 이미 있는 간단한 instruction들을 합쳐서 복잡한 것을 만드는 개념
    • ex) ARM, MIPS, RISC -V
    • 명령어들이 x86에 비해 set이 훨씬 작음

• Von Neumann architecture and Harvard architecture

  • Von Neumann : instructions and data are both loaded into the same memory unit
  • Harvard : keeps intructions and data in seperate memories (separated buses)

---

// data 부분(선언(declare) 부분)
int a,b,c

//program 부분(text, code)
main()
...
a=b+c;
...

• 위 코드가 컴퓨터에서는 어떻게 실행될까?
• CPU를 통해 +, -, *, /, and, or 등의 연산을 하고 싶음 -> ALU에서 연산
• 폰노이만 구조는 data와 프로그램이 한 구조에 있음
• 메모리는 세 부분으로 나뉘어짐(데이터가 선언될때 메모리가 필요함)
  • 맨 위 : fff…f 번지, stack memory
    • 스택 = temporary
      • 즉, 임시로 잠깐 저장할 때 사용하는 공간
  • 중간: data memory
    • 데이터가 들어가는 자리.
    • 컴파일이 되면, a, b, c, 방을 잡아준다.(선언 부분, 어디에 잡아줄 지는 compiler가 결정)
  • 맨 아래: 0 번지, program memory
    • 프로그램이 들어있음
    • instruction set이 들어있는 곳
    • instruction에 따라서 수행할 연산을 program counter가 decode하여 전달해줌
    • 컴파일러에 의해 high level language에서 컴퓨터가 알아듣는 assembly language로 변환된 후 이곳(program memory)으로 들어온다.

b와 c를 연산하고 싶기 때문에 이를 ALU에 연결하고 싶으나 RISC는 이를 직접 바로 연결하지 못하고, register file(여러개의 register를 모아둔 곳) 을 거쳐서 ALU로 넘겨준다. 또한 이 결과는 다시 register file을 거쳐서 memory로 들어간다.

• load: memory의 데이터를 register로 가져오는 행위

• store: register에서 ALU로 보내 연산을 마친 결과 데이터를 다시 memory로 보낸다.

CISC는 다양한 방법을 제공하지만 RISC는 무조건 register를 통해서 들어가야 한다. 그래서 RISC를 load-store architecture라고도 한다.

컴파일러가 high-level언어를 machine이 이해하는 language로 변환 아래와 같이

load b -> rf1 #register file_1
load c -> rf3
addf rf1 + rf3 -> rf5
store rf5 -> a

위처럼 하나하나의 instruction으로 바꿔준다.

• data path (register file + ALU)
  • data memory에 있던 data가 register로 들어가고(load 과정) ALU로 가서 연산 결과를 다시 register로 보내서 이를 다시 data memory로 전달함(store 과정)
• control(Instruction Register + Decoder)
  • instruction을 하나씩 control 부분의 IR(Instruction Register)에 가져와서 무슨 명령어인지 분석을 진행한다.
  • 근데 instruction을 하나씩 가져오려면 그것들의 위치를 알아야 하는데 이 위치를 알도록해 주는 게 Program Counter(PC)이다.
    • 주소는 4씩 차지하는 공간이기 때문에 4씩 늘려가면서 접근하면 instruction 주소에 하나하나씩 접근할 수 있는 것이다.
  • program memory에서 instruction들을 가져오는 행위를 fetch라 한다.
• 그래서 load와 fetch는 둘 다 memory에서 CPU로 object를 가져오는 행위로 같아보이지만 그것이 data memory냐 program memory냐에 따라 다르다.
• CPU와 memory 사이에 cache라는 것이 존재
  • cache는 cpu chip 안에 들어있음
  • data용 cache와 instruction용 cache가 있음

---

Classes of Computer

• Personal computers
  • General purpose, variety of software
  • Subject to cost/performance tradeoff
• Server computers
  • Network based(Google server, storage server,…)
  • High capacity, performance, reliability
  • Range from small servers to building sized
• Super computers
  • 기상청에서 슈퍼컴퓨터 사용
  • Type of server
  • High-end scientific and engineering calculations
  • Highest capability but represent a small fraction of the overall computer market
• Embedded computer(휴대폰, 냉장고 등에 들어있는 프로세서)

  • Hidden as components of systems

  • Stringent(순) power / performance / cost constraints

    • 배터리로 동작하기 때문에 power가 매우 중요
    • ARM processor가 power가 좋기 때문에 전세계적으로 사용하는 것
    • cost와 size는 직결
    • power ∝ V_dd² * f * C_L
    • 컴퓨터 구조에서는 cost, power는 다루지 않을 것임(중요하긴 하지만 out of range)

What We Will Study (from COD)

• How programs are translated into the machine language
  • And how the hardware executes them
• The hardware/software interface
• What determines program performance
  • And how it can be improved
• How hardware designers improve performance
• What is parallel processing (from COD)

power는 굉장히 중요하지만 hardware적 측면이 강한 부분으로 이곳에서는 다루지 않을 것이다.

Performance(from COD)

컴퓨터 구조에서 제일 중요하게 다뤄질 부분

아래는 performance를 결정하는 중요한 요인들이다.

• performance is defined 1/실행시간(execution time)
  • 즉, speed와 관련된 것
• Algorithm
  • Sorting(퀵 정렬, 버블 정렬,…) , Graph 등…
  • Determines # of operations executed
• Programming language, compiler, architecture
  • Determine # of machine instructions executed per operation
• Processor and memory system
  • Determine how fast instructions are executed
• I/O system(including OS)
  • Determines how fast I/O operations are executed

Seven Great Ideas(from COD)

high speed CPU를 이룰 수 있던 motivation은 무엇일까?

• Use abstraction to simplify design

• Make the common case fast
  • 많이 사용되는 것들을 가장 빠르게 하는 것이 key idea
• Performance via parallelism
  • 부족하면 여러개를 이어붙여서 사용하는 것
• Performance via pipelining
  • 나중에 배움
• Performance via prediction
  • 다음 가져올 데이터를 미리 예측하여 미리 가져오는 것
• Hierarchy of memories
  • 하드디스크, main memory, cache memory, cpu
• Dependability via redundancy(중복성, 여분)
  • 데이터의 speed도 중요하지만 서버가 날라가면 큰일 나기 때문에 서버에 있는 컴퓨터들은 보통 하드디스크를 하나만 쓰지 않고 여러개 나눠 사용한다.

Levels of Program Code (from COD)

Compiler에 의해 language를 machine이 알아듣도록 계속 변환 시킴

• High-level language

  • Level of abstraction closer to problem domain

  • Provides for productivity and portabiltiy

  • compiler에 의해 assembly language로 변환해 줌

  • swap(int v[], int k)
    {
        int temp;
        temp = v[k];
        v[k] = v[k+1];
        v[k+1] = temp;
    }
    

• Assembly lanuage

  • Textual representation of instrcutions

  • compiler에 의해 machine language(Hardware representation)으로 변환해 줌

  • swap:
    	muli $2, $5.4
    	add $2, $4.$2
    	lw $15, 0($2)
    	lw $16, 4($2)
    	sw $16, 0($2)
    	sw $15, 4($2)
    	jr $31
    

• Hardware representation

  • Binary digits(bits)

  • Encoded instructions and data

  • 00000000000000000000011010100000100000000000100110
    101000000000000001111111000000000001111111000001
    010100000000000111111101010010