컴퓨터 구조 및 컴퓨터 시스템의 개요

Goal

• 컴퓨터 시스템의 기본 요소와 관계 이해
• 인터럽트 개념과 처리기의 인터럽트 사용 이유에 대한 이해
• 전형적인 컴퓨터 메모리 계층 구조 이해
• 멀티프로세서의 기본 특성과 멀티코어의 구조 이해

 

컴퓨터 구성 요소

• 처리기 (Central Processing Unit) : 데이터 연산, 논리 연산(ALU), 제어(control unit), register
• 주기억장치 (Main Memory) : 메모리 내의 개별적인 저장 공간 (휘발성)
• 저장장치 (Storage Device) : 디스크, CD-ROM, 플로피, Flash Memory (비휘발성)
• 입출력장치
• 통신장치 : Modem, Ethernet, Bluetooth

 

컴퓨터 구성 요소 (최상위 수준 관점)

 

 

• 메모리 주소 레지스터 (Memory Address Register) : 다음 번에 읽거나 쓸 주소를 명시
• 메모리 버퍼 레지스터 (Memory Buffer Register) : 메모리에 쓸 데이터를 포함하거나 메모리로부터 수신된 데이터를 포함
• 프로그램 계수기 (Program Counter) : 다음에 실행될 명령어의 주소를 가지고 있어 실행할 기계어 코드의 위치를 저장
• 명령어 레지스터 (Instruction Register) : 최근에 반입된 명령어 포함 (실행 중인 명령어)
• 누산기 (AC) : 연산 결과를 임시로 저장
• 프로그램 상태 워드 (Program Status Word) : 인터럽트 가능화/불능화

 

명령어 실행 2단계

 

 

• 반입 (Fetch) : 처리기가 메모리로부터 명령어를 읽음
• 실행 (execution) : 처리기가 각 명령어 수행

 

인터럽트

• Blocking I/O의 문제점 : 대부분의 I/O 디바이스는 처리기보다 느린데, 처리기는 디바이스가 작업을 완료할 때까지 기다려야 하기 때문에 처리기의 성능 저하 유발

• 디바이스 작업이 완료되면 처리기에게 인터럽트를 걸 수 있도록 허용

• 인터럽트와 프로그램 제어 흐름

  

  • 인터럽트 처리를 위한 오버헤드가 존재하나, 입출력 연산이 완료되기를 기다리며 낭비하는 시간에 비해 상대적으로 짧음

 

메모리 계층 구조

• 접근 시간이 빠르면 비트 당 비용이 높아짐

• 용량이 크면 비트 당 저장 비용이 낮아지지만, 접근 시간이 길어짐

  

  • 계층 구조를 따라 내려갈수록
    1. 비트 당 비용이 감소
    2. 용량이 증가
    3. 접근 속도 감소
    4. 처리기가 메모리를 접근하는 횟수가 줄어듬

 

캐시 메모리

• 운영체제에게 보이지 않고 하드웨어적으로 처리되며, 참조 지역성(Locality of Reference)의 원리를 이용함
• 캐싱 (Cashing) : 메모리 계층 구조에 또 다른 레벨을 도입하는데, 하나 이상의 레벨에 동시에 저장된 데이터 사이에 내용이 일치(consistent) 해야함

 

참조 지역성 원리

• 프로그램이 실행되는 도중에 처리기에 의해서 접근되는 메모리 영역이 집중화(cluster)하는 경향이 있음

• 장기적으로 이러한 클러스터는 변경될 수 있으나, 짧은 시간에 처리기는 메모리 접근을 고정된 수의 클러스터에 한정되는 경향이 있음

  • 명령어 : 반복문, 서브루틴

  • 데이터 : 테이블, 배열

 

적중률 (Hit ratio : H)

• 적중률은 메모리 접근중 데이터가 빠른 메모리에 존재할 비율로 정의

• T1은 레벨 1 메모리(ex, 캐시 메모리) 접근 시간으로 정의

• T1 = 0.1us

• T2는 레벌 2 메모리(ex, 메인 메모리) 접근시간으로 정의

  • T2 = 1us

• 메모리 접근 중 95%가 캐시에서 데이터를 찾는 경우, 즉 Hit ratio H = 0.95

  • (0.95)(0.1us) + (0.05)(0.1us + 1us) = 0.095 + 0.055 = 0.15us

 

캐시 원칙

• 캐시 크기 : 작은 크기의 캐시도 성능에 큰 영향을 미침

 

직접 메모리 접근 (Direct Memory Access)

• 기존 인터럽트 구동 I/O는 읽거나 쓸 데이터가 처리기를 통해서 이동되기 때문에 처리기 시간을 낭비함
• 디바이스 제어기는 처리기의 간섭 없이 주기억장치와 I/O 모듈의 버퍼 사이에 데이터 블록을 직접 전송
• 메모리와 I/O 디바이스 사이의 데이터 전송 성능을 높임
• 디바이스 제어기는 “메모리 사이클 훔침(memory cycle steal)” 기법을 이용하여 메인 메모리와 I/O 모듈 상이에 데이터를 직접 전송하므로, 처리기는 명령어를 실행하는데 전혀 지장을 받지 않음
• DMA 모듈은 데이터 전송을 위해 I/O 제어기를 이용해서 I/O 작업이 끝나면 처리기에게 인터럽트를 통해 알림
• 많은 양의 I/O 연산을 수행하는 시스템(ex, Mainframe, Server)의 I/O 성능을 높여줌