마이크로프로세서란, 컴퓨터의 산술논리연산기(ALU), 레지스터, 프로그램 카운터(PC), 명령디코더, 제어회로 등의 연산장치와 제어장치를 1개의 작은 실리콘 칩에 모아놓은 처리장치이다. 여기서 프로세서는 데이터 연산을 목적으로 하는 기기를 말하며, 컴퓨터에서는 이러한 기능을 위해 중앙 처리 장치인 CPU(Central Processing Unit)가 존재한다.
마이크로프로세서 과목에서는 마이크로프로세서의 사용법을 학습한다. 이는 마이크로프로세서의 인터페이스 사용법을 익히는 것을 말한다. 인터페이스란, 어떤 두 시스템의 경계에서 서로 통신 및 접속이 가능하도록 하는 매개체를 의미한다.
이러한 인터페이스 중 운영체제와 응용프로그램 사이의 통신에 사용되는 개념이 **API (Application Programming Interface) **이다. API를 통해 사용자는 상세 기능이 추상화된 상태에서 내부 구조를 알 필요 없이 필요한 부분만을 사용할 수 있게 된다.
마이크로프로세서의 인터페이스는 명령어 집합 **ISA (Instruction Set Architecture) **에 의해 구현된다. ISA는 인간이 사용하는 언어에 비교하여 생각해 볼 수 있는데, 그 관계는 아래와 같다.
말하자면, 명령어 집합인 Instruction Set에 Instruction을 사용하기 위한 정해진 문법을 더한 것을 일컬어 ISA라고 한다. 프로그램은 이러한 명령어의 조합으로 구성된다. 이러한 ISA가 마이크로 프로세서의 인터페이스로 사용되며, 이는 제조사마다 다르기 때문에 서로 호환되지 않는다.
앞서 말했듯 ISA는 제조사마다 그 형식이 다르다. 대표적으로 PC에 가장 많이 사용되는 Intel x86 Architecture의 경우, 오랜 역사에 따라 그 명령어가 8-bit부터 64-bit까지 매우 다양하다. 비교적 최근에 많이 사용되는 ARM기반의 Architecture는 그 구조가 x86에 비해 간단하여 사용이 편하게 여겨졌지만, 이마저도 그 명령어가 점차 늘어가고 있다. 이처럼 세대를 거듭할수록 이전의 명령어를 포함하면서 사용할 수 있는 ISA를 증분형 ISA라고 한다. 그에 비해 새로 등장한 ISA개념이 있는데, 그것이 바로 이번 수업에서 사용할 모듈형 ISA RISC-V이다.
- 증분형 ISA (Incremental ISA)
- 이전 세대의 명령어를 포함하여 구성된다
- 세대를 거듭할수록 명령어가 증가하여 복잡해진다
- ex) Intel Pentium, ARM, ...
- 모듈형 ISA (Modular ISA)
- 사용하고자 하는 명령어만 필요에 의해 추가/삭제하여 사용할 수 있다
- ex) RISC-V
본 수업에서는 RISC-V를 통해 **ISS (Instruction Set Simulator)**를 구현하여 명령어를 따서 실행 후, 실행 결과를 보여주는 프로그램을 제작한다. 이를 통해 CPU의 작동 원리 및 어셈블리어를 학습하고, 나아가 ARM 프로세서를 다루어 보는 방향으로 나아갈 것이다.
이 장에서는 기본적인 컴퓨터에 대한 관련 개념, 구조 및 특징에 대해 알아보도록 한다.
현대에 들어 많은 종류의 컴퓨터들이 있지만, 대표적으로 다음과 같은 종류의 컴퓨터들이 많이 사용되고 있다.
- Personal Computers
- 일반적인 목적으로 사용되며, 다양한 소프트웨어가 존재한다
- 비용 대비 성능에 가장 영향을 많이 받는다
- Server Computers
- 네트워크 기반이다
- 고용량, 고성능, 고안정성이 요구된다
- 작은 사이즈부터 빌딩크기의 사이즈까지 다양하다
- Supercomputers
- 과학 및 공학 연산에 특화된 컴퓨터이다
- 다양한 기능이 있지만, 전체 컴퓨터 시장에서는 매우 적은 부분을 차지한다
- Embedded Computers
- 보통 아주 작은 사이즈로, 시스템의 구성요소로 숨겨져 있다
- 저전력, 고성능, 저비용 등의 요소가 고려된다
- MCU (Micro Controller Unit) : 자동차, 가전에 들어가는 제어기
- AP (Application Processor) : 스마트폰, 태블릿에 사용되는 고성능 임베디드 시스템
컴퓨터, 혹은 어떤 프로그램의 속도를 향상시키는 데에는 다음과 같은 방법들이 있다.
- 알고리즘 (Algorithm)
- 실행되는 명령어 수를 결정한다.
- 프로그래밍언어, 컴파일러, 아키텍쳐 (Programming language, Compiler, architecture)
- 명령어 수행 당 필요한 기계어 명령의 수를 결정한다.
- 프로세서, 메모리 시스템 (Processor, Memory System)
- 명령어 처리 속도를 결정한다.
- 입출력 시스템 (I/O System (including OS))
- I/O 동작이 얼마나 빠르게 수행되는지 결정
프로그램의 구조는 다음과 같이 구성된다.
- Application software
- HLL(High-Level Language)로 작성된다
- System software
- Compiler : HLL을 기계어로 변환시켜 주는 역할을 한다.
- Operating System : HW를 직접 이용한다
- Input / Output 관리
- memory, storage 관리
- task scheduling, resource sharing
- Hardware
- 프로세서, 메모리, 입출력 제어기
프로그램을 구성하는 코드는 여러 단계를 거치도록 설계되어 왔다. 인간이 이해하기 쉬운 HLL부터, 컴퓨터가 직접 처리하는 기계어에 이르기까지 다양한 과정을 통해 사용된다. 아래의 그림을 통해 그 특징과 종류를 확인할 수 있다.
CPU는 아래의 부분들로 구성되어 다양한 작업을 수행한다.
- Datapath
- 데이터 연산 및 처리를 담당하는 유닛들의 집합
- ALU(Arithmetic Logic Units), Multiplier
- **Control Unit (CU) **
- 컴퓨터의 메모리, ALU, I/O장치 등에 명령어에 대해 어떻게 응답해야 하는지를 알려주는 장치
- CPU와 다른 장치 사이의 데이터 흐름의 방향을 조정
- Cache memory
- CPU의 속도를 빠르게 하는 임시메모리 (SRAM 구성)
- 프로그램을 실행할 때 마다 HDD를 읽어오는 것 대신 램과 디스크 사이에 임시로 프로그램을 저장하여 읽어오는 시간을 빠르게 함
- 반드시 하드웨어적인 개선을 통해 성능향상 (SW적 접근 및 개선 불가)
앞선 API 설명에서 추상화를 통해 내부 구조를 상세히 알 필요 없이 필요한 부분만 파악하는 것에 대한 효율성에 대해 언급한 바 있다. 컴퓨터(CPU)에서의 추상화는 다음과 같은 종류로 사용자에게 제공된다.
- 복잡성 처리 : Low-Level의 상세한 내용 및 동작을 숨긴다
- Instruction Set Architecture (ISA) : 하드웨어 / 소프트웨어 인터페이스
- Application Binary Interface (ABI) : 동일 구조의 마이크로프로세서의 2진 호환 보증 규약 (Application의 이식성 실현)
- Implementation : 인터페이스를 통해 사용에 필요한 부분만 사용자에게 제공
컴퓨터에서 데이터를 저장하는 데에는 메모리가 이용된다. 메모리는 크게 아래의 분류로 나눌 수 있다.
- 휘발성 메모리 (Volatile main memory)
- 전원이 OFF될 시 데이터가 사라지므로 프로그램 실행시에만 이용됨
- RAM (Random Access Memory) : SRAM(Static RAM), DRAM(Dynamic RAM), DDR SDRAM(Double Data...), ... 등
- 비휘발성 메모리 (Non-volatile secondary memory)
- 전원이 OFF되어도 데이터를 유지하는 메모리
- 속도는 RAM에 비해 느리지만 큰 용량을 확보 할 수 있음
- Magnetic disk(HDD), Flash memory(SSD), Optical disk (CDROM, DVD), ROM(Read-only memory)
우리는 어떤 기기를 구매하거나 사용할 때 많은 것을 따져보게 된다. 그 중, 비용, 접근성 외에도 해당 기기의 성능을 따져보게 되는데, 어떤 기기의 성능에는 응용분야에 따라 다양한 지표가 적용된다.
- Response Time
- 응답시간이라고 하며, 어떤 프로그램 수행에 걸리는 시간을 말한다
- Throughput
- 사용률, 처리량 이라는 듯으로 사용되며, 단위시간당 처리된 전체의 유효한 정보량을 말한다
여기서는 마이크로프로세서의 성능지표가 될 수 있는 '시간'에 초점을 두고 알아보도록 한다.
실행 시간은 성능을 직접적으로 정의할 수 있는 지표가 된다. *'X가 Y보다 n배 빠르다'*를 실행시간과 성능의 관계를 통해 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Performance_x / Performace_y = Execution Time_y / Execution Time_x = n
즉, 위와 같이 성능은 실행 시간의 역수로 정의하여 비교할 수 있다. 그렇다면 실행시간은 어떻게 측정할까? 실행 시간 측정에는 크게 다음과 같은 방법이 있다.
- Elapsed Time
- 경과 시간, Total Response Time
- Processing, I/O, OS 구동 등 모든 항목을 포함하여 전체 응답시간을 측정
- CPU Time
- CPU가 순수하게 작업에만 소요되는 실제 시간 측정
- 명령어 수, 클록 수, 클록 주기 등의 요인으로 결정
앞서 말한 응답시간이 실행시간이 될 수 있지만, 우리는 마이크로프로세서를 다루기에 CPU time에 집중하여 측정하는 것을 알아보도록 하겠다.
CPU Time에 대해 학습하기에 앞서 CPU Time에 영향을 주는 요소 중의 하나인 CPU Clocking에 대해 알아보자. 클록(Clock)은 같은 시스템에서 각 구성요소의 동기화(Synchronous System) 및 정확한 시간을 유지하여 프로그램에 제공하는 기능을 한다. 클록은 아래 그림과 같이 일정한 펄스를 신호로 하여 시스템 내 구성요소의 동작을 동기화 한다. 이 때 한 주기 (cycle)의 클록을 Clock Period, 1초동안 발생한 사이클 수를 클록 주파수 (Clock Freqency)라고 한다.
이를 통해 이제 CPU Time을 결정해보자. CPU Time은 앞서 말했듯 클록에 영향을 받는다. 이를 식으로 나타내어 보면 다음과 같다.
위의 식에서 확인할 수 있듯 CPU Time은 Clock의 Cycle 수와 Cycle time 등에 영향을 받지만, 실제로 컴퓨터를 비교할 때 Clock Cycle이 모두 동일하지 않은 경우가 있다. 따라서 Clock Cycle 수를 결정해야 하는데 그 방법은 아래에서 소개한다.
Instruction Count란 말 그대로 전달하는 명령어의 수를 말한다. CPI란 Clock Per Instruction이라는 뜻으로, 한 명령어당 소요되는 클럭 수를 의미한다. 따라서 Instruction Count와 CPI의 곱은 Clock Cycle 수가 된다. 정리하면,
이 때 Instruction count는 프로그램, ISA, 컴파일러 등에 의해 영향을 받는다. 또, 명령어당 평균적인 사이클은 CPU에 의해 결정되며, 명령어가 다르면 다른 CPI를 갖게 된다.
이처럼 컴퓨터 (혹은 마이크로프로세서)의 성능을 결정하는 '시간'에 대해 알아보았다. 특히 마이크로프로세서의 경우, CPU Time 즉, 속도 외에도 전력(Power), 가격 등이 아주 중요한 성능 지표중의 하나가 됨을 알아두도록 한다.
앞서 말했듯, 마이크로프로세서를 사용하기 위한 명령어인 Instruction, 그리고 이를 모아둔 집합이 Instruction Set이다. Istruction Set은 사용하는 마이크로프로세서마다 조금씩 다르다. 그에 따라 사용하는 방법도 다르다. 우리는 Open ISA인 RISC-V의 Instruction Set에 대해 다루어 볼 것이다.
RISC-V는 그 구조가 개방된 Open ISA이며 경우에 따라 명령어를 사용하거나 사용하지 않을 수 있는 증분형 ISA이다. 그러나 우리가 다룰 ISA는 어셈블리어 형태를 따르기 때문에, 레지스터 사용 방법이나 오퍼랜드 구조가 다를 뿐 전체적인 구성은 유사하다. 어셈블리어 형태로 된 명령어는 크게 Operation Code와 Operand로 구성되어 있다. Operation Code는 add, sub, div, mul, and, or... 등의 종류가 있으며, 이는 어셈블리어에서 mnemonic이라 불린다. 이 mnemonic을 기계어 값으로 바꾼 것이 Operation Code(이하 OPCODE) 이다. 이 OPCODE의 Parameter가 되는 것이 Operand라고 볼 수 있다. 각각의 Operation과 해당 Operation을 위한 Operand가 어떻게 구성되는지 알아보도록 하자.
덧셈, 뺄셈 등의 산술 연산을 위한 Operation으로 3개의 Operand로 구성된다. 이후 다룰 레지스터, 메모리, 명령어 format등의 개념을 이해하기 쉽게 하기 위해 먼저 다루게 되었다. 사용 형태는 다음과 같다.
add a, b, c : a gets b + c
여기서 add가 mnemomic, a가 destination operand, b,c가 source operand이다.
이러한 Opertaion과 Operand의 규칙성은 명령어를 좀 더 단순하게 사용할 수 있도록 단순성을 높여준다.
아래를 통해 C 언어 코드에 대해 RISC-V 기준으로 컴파일 되었을때 어떻게 되는가를 확인해보자.
C Code : f = (g + h) - (i + j);
Copiled RISC-V code :
add t0, g, h: temp t0 = g + h
add t1, i, j: temp t1 = i + j
sub f, t0, t1: f = t0 - t1
명령어 사용에서 Operand값이 저장되는 위치는 레지스터와 메모리가 있다. **Operand로 가능한 것은 레지스터와 메모리에 저장된 수치값 둘 뿐이다.메모리는 빠른 속도로 값을 읽고 쓸 수 있지만, 그 속도는 약 100ms로 많은 명령어를 빠르게 처리해야 하는 마이크로프로세서에서는 매번 메모리에 접근하는 시간조차 줄일 필요가 있다. 그에 따라 저장용량은 적지만 속도를 빠르게 할 수 있는 레지스터를 이용한다. RISC-V에는 32-bit 크기의 명령어를 처리하는 32개의 레지스터들(32 x 32-bit)**이 있다.(64-bit를 처리하는 RISC-V64도 있다)
각 레지스터는 용도에 따라 구분되어지는데, 그 종류는 다음과 같다.
- x0 : 항상 상수값 0을 저장한 레지스터, 읽기만 가능하고 쓰기는 불가능하다.
- x1 : 함수의 돌아갈 주소(return address) 저장
- x2 : stack pointer (스택은 함수의 지역변수 & 매개변수 관리)
- x3 : global pointer (전역변수, 정적 변수 관리)
- x4 : thread pointer
- x5 ~ x7 , x28 ~ x31 : temporaries (임시변수 관리) / 마음대로 사용가능하다 보면 된다
- x8 : frame pointer
- x9, x18 ~ x27 : saved registers (지역변수 관리) / 마음대로 사용가능하다 보면 된다
- x10 ~ x11 : 함수의 매개변수 / 결과들
- x12 ~ x17 : 함수의 매개변수
이번에는 해당 레지스터들을 이용하여 위에서 다룬 C 언어 코드가 실제로는 어떻게 컴파일 될 수 있는지 본다.
C Code : f = (g + h) - (i + j); (f, g, h, i, j 의 data는 각각 레지스터 x19 ~ x23에 저장)
Copiled RISC-V code :
add x5, x20, x21: temp x5= g + h , destination : x5, source : x20, x21
add x6, x22, x23: temp x6 = i + j , destination : x6 , source : x22, x23
sub x19, x5, x6: x19 <= x5 - x6 , destination : x19 , source : x5, x6
레지스터는 속도면에서 장점은 있지만, 레지스터만으로 연산하는 것은 힘들다. 레지스터의 수가 제한되어있지만 여러 곳에서 사용해야 하기 때문에 그 갯수가 부족하고, 제한된 크기의 데이터를 임시로 저장하기 때문에 최적화가 많이 요구된다. 메모리(오퍼랜드)의 특징을 살펴보면 다음과 같다.
- 메모리는 바이트 단위로 주소가 지정된다
- 메인 메모리는 데이터 합성에 사용된다 (배열, 구조체 등)
- 메모리를 통한 Operation은 Load와 Store 뿐이다
- RISC-V는 Little Endian* 방식이다
- RISC-V는 메모리에 word가 정렬될 필요가 없다
메모리를 통한 Operation은 Load와 Store 뿐이다. Load는 메모리의 값을 레지스터에 담는 것이고, Store는 레지스터의 결과를 메모리에 저장하는 것이다. 단순성을 유지하여 하드웨어 동작을 빠르게 하기 위함이다. 그렇다면 레지스터 내용이 메모리에 어떻게 저장되는지 확인해보도록 하자.
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Computer Organization and Design (RISC-V Edition) / Morgan Kaufmann
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The RISC-V Reader / David Patterson, Andrew Waterman