04.장 컴퓨터 구조에 대한 두번째 이야기 ① 컴퓨터 구조의 접근방법

컴퓨터 구조의 접근방법

컴퓨터를 디자인 하자

프로그래머 관점

컴퓨터 구조를 잘 아느 프로그래머도 컴퓨터 디자인에 참여

컴퓨터 디자인은 레지스터와 명령어 디자인

CPU 자체에 대한 표준은 없기 때문에 CPU의 종류는 무궁무진하다.

예를 들어 GPU 도 그래픽처리에 제한된 CPU라 할 수 있다.

하드웨어 전문가 뿐만 아니라 프로그래머도 CPU디자인에 참여한다. 디자인을 할 때 로직,하드웨어,알고리즘,인터페이스 전문가 들이 참여하게되는데 그중에 프로그래머도 포함 될 수있다. 이 과정에서 프로그래머는 주로 레지스터와 명령어 디자인을 맞는다. 

레지스터 디자인의 핵심   

레지스터는 몇 비트로 구성할 것인가?

몇 개 정도로 레지스터를 구성할 것인가?

레지스터 각각을 무슨 용도로 사용할 것인가?

레지스터는 컴퓨터 시스템과 같은 크기로 구성하는것이 보편적이다.

n비트 시스템에서 명령어의 크기가 n비트이기때문에 레지스터에 한번에 데이터를 저장하기위해 레지스터를 같은 크기로 구성하는 것이다.
레지스터의 수는 많으면 많으 수로 좋다.

레지스터는 특별한 용도를 갖고 있는 저장장치이다.

램이나 하드디스크는 범용적으로 사용하지만 레지스터는 용도가있는 저장장치이기때문  용도를 정하고 그로인해 명령어가 단순해지고 속도도 증가하게 된다.

한번 레지스터를 디자인해 보자.

r0	ir : instruction register    sp : stack point    lr : link register    pc : program
r1
r2
r3
r4        ir
r5        sp
r6        lr
r7        pc

16비트 크기의 레지스터 8개를  구성했다.

각가 r0 ~ r7 이름을 붙이고 r4 부터 r7까지는 용도를 지정하였다. 

r0 ~ r3 는 범용레지스터로 연산을 위해 필요한 레지스터라 생각하자.

밑에 계속....

명령어 구조 및 명령어 디자인

명령어의 기본 모델

16비트 명령어

사칙연산 명령어 구성

<-예약->

<-  연산자  ->

<-  저장소  ->

<-    피연산자1     ->

<-     피연산자2    ->

                      ADD                  r2                        r1                            7

저장소 : 레지스터

피연사자1,2:레지스터 or 숫자

연산의 의미	심볼	2진 코드		레지스터 심볼	2진 코드
덧셈	ADD	001		r0	000
뺄셈	SUB	010		r1	001
곱셈	MUL	011		r2	010
나눗셈	DIV	100		r3	011
				r4 , ir	100
				r5 , sp	101
				r6 , lr	110
				r7 , pc	111

레지스터 디자인 쪽에서 16비트 레지스터를 디자인 했다. 시스템과 레지스터의 크기가 같아야 이상적이라 했는데 명령어의 크도 같아야 한다. 그렇기에 16비트 크기의 명령어를 디자인하였다.

명령어 하면 단순한 정보를 담고있을 거라 생각 할 수 있지만 명려어 안에는 

연산자, 저장소, 피연산자 같은 많은 정보를 담고 있다.

위에 디자인된 명령어를 보자. 각가 연산자에 3비트 저장소에 3비트 피연산자에 4비트를 할당 하였다. 

※명령어에 따라 피연산자가 1개가 존재 할 수도 있고 그럴때에는 구조가 달라진다.

저장소는 레지스터만 오도록 하였는데 연산결과는 일다 레지스터에 저장한다.

피연산자는 레지스터 이거나 숫자 가 올 수 있는데 계속....

피연산자에 레지스터나 숫자 모두 올수있는데 만약 0001일때 이것이 숫자인지 레지스터인지를 알 수 없다 그렇기에 맨앞 비트에 따라 레지스터나 숫자인가 하는 구분하는 약속을 하여야한다. 이런식을 제한을 하지않으면 명령어에 낭비가 오고 명령어가 복잡해진다.

명령어는 왜 단순하게 만들어야 하는가?

위와같이 단순한 구조를 가리켜 RISK 라 하고 이와 반대대는 구조로 CISK 가 있다.

CISK 구조는 명령어가 복잡하여 명령어를 다양하게 조합 원하는것을 대부분 반영할 수 있는 구조이다.

RISK 구조는  CISK의 복잡한 명령어를 단순화 시킨것인데 이로인해 제한사항이 많이 생긴다. 명령어가 단순해서 표현을 하는데 있어 CISK에 비해 더 많은 명령어가 필요하게 될 수 있다. 그럼에도 불구하고 오늘날 대부분의 CPU는 RISK 이다.

이는 속도를 향상시키는데 있어서 RISK가 고성능컴퓨터에 적합하다.

명령어를 처리하는 과정을 1장에서 보았듯이 Fetch,Decode,execution 3단계를 거치는데 각각의 단계를 처리하는데 1클럭이 걸린다고 가정한다면 5개의 명령어를 처리한다고 보면 단순계산으로 15클럭이 필요할 것이다. 하지만 각처리과정의 로직이 별도이기때문에 동시에 처리하여도 된다. 

F D E

   F D E

      F D E

이런식으로 첫번째 명령어를 Decode 할때 두번째 명령어를 Fetch 하는 식으로 동시에 진행하게 되고 명령 5개를 실행하는데 있어 7클럭이 필요하게 된다.        CISK 보다 적은 클럭으로 명령어를 처리 할 수 있기에 고성능 컴퓨터에서 RISK구조를 사용하는 것이다.