컴퓨터 구조 - 3

컴퓨터 구조 3강

KOCW 컴퓨터구조 2020-2학기 최규상 교수님 강의를 듣고 정리한 글이다.

Instruction Set

컴퓨터(processor)에서 지원하는 명령어의 집합. processor마다 다른 instruction set을 갖고 있지만 대부분 비슷하다.

초창기 컴퓨터들은 simple instruction set을 가졌다. 그 다음에는 CISC(Complex Instruction Set Computer)가 나왔고 현대에 와서는 다시 RISC(Reduced Instruction Set Computer)를 사용한다. CISC의 대표적인 예시로는 인텔이 있고, RISC의 대표적인 예시로는 MIPS, ARM 이 있다.

Q1) 왜 RISC를 쓰는 것이냐?

A1) 전통적인 CISC CPU에는 프로그래밍을 돕기 위한 많은 수의 명령어와 주소 모드가 존재했다. 그러나 그중에서 실제로 쓰이는 명령어는 몇 개 되지 않는다는 사실을 바탕으로, 적은 수의 명령어만으로 명령어 집합을 구성한 것이 RISC이다. 그래서, RISC는 CISC보다 구조가 더 단순하다. 복잡한 연산도 적은 수의 명령어들을 조합하는 방식으로 수행이 가능하다. - 출처

ISA(Instructioin Set Architecture)

HW와 low level SW(OS) 사이의 interface. 모든 정보는 instruction을 통해서 processor에게 전달되는 것.

ABI(Application Binary Interface)

ISA와 OS의 조합. Binary portability를 결정하는 조건. 어떤 application이 해당 컴퓨터에서 실행될지 안될지를 판단할 때 쓰인다. 향후 Study 태그에서 더 자세히 다루도록 하겠다. 같은 OS여도 intel CPU인지 ARM CPU인지에 따라 프로그램이 실행이 안 될 수도 있다.

MIPS Instruction Set

1초에 몇백만개의 instruction을 실행키는지 나타내는 연산속도의 단위에서 따온 말이다. 본 강의에서는 해당 MIPS를 사용하여 강의를 진행할 것이다.

예전에 임베디드 시스템 쪽에서 많이 사용됐다. 현대 ISA의 전형적인 예시이다. MIPS가 다른 최선 processor와 공통된 부분이 많다.

Arithmetic Operation(산술연산)

Add, subtract하는데 3개의 operand가 필요하다. 2개는 연산대상(source), 나머지 1개는 연산결과(destination)를 저장.

add a, b, c # a <- b + c

모든 Arithmetic Operation은 위 구조를 따르게 된다.

Process 만들 때 4가지 design principle 중 1번째

1. Simplicity favors regularity

   간단하게 만들기 위해선 regularity가 있어야 한다. regularity는 implementation을 간단하게 만든다. 간단하게 만들면 저비용으로 고성능 구현이 가능하다.

Arithmetic Operation Example

• C code

  f = (g + h) - (i + j);
  

• Compiled MIPS code(assembly의 정확한 코드는 아니다. 대략적인 코드) :

  add t0, g, h # temp t0 = g + h
  add t1, i, j # temp t1 = i + j
  sub f, t0, t1 # f = t0 - t1
  

우리가 코드를 작성할 땐 C code 1줄이지만, 실제로는 processor가 3개의 instruction을 실행하는 것으로 바뀌어진다. Compiler가 위와 같이 코드를 processor가 실행하기 좋게 바꾼다.

Register Operand

• Arithmetic operation은 기본적으로 register간의 연산이다. -> RISC계열 processor에서 지원하는 방식
• MIPS는 32개의 32bit register를 가지고 있다. 자주 사용하기 위한 데이터를 사용하기 위해 register사용. 32bit data를 word(4byte)라고 부른다.
• Assembler name
  • $t0, $t1, … $t9 for temporary values
  • $s0, $s1, … $s9 for saved variables

Process 만들 때 4가지 design principle 중 2번째

1. Simplicity favors regularity

2. Smaller is fast

   register는 용량이 작지만 가장 빠르다.

Register Operand Example

• C code

  f = (g + h) - (i + j);
  

  f, g, h, i, j 모두 $s0~$s4에 mapping돼있다고 가정.

• Compiled MIPS code(assembly의 정확한 코드) :

  add $t0, $s1, $s2
  add $t1, $s3, $s4
  sub $s0, $t0, $t1
  

  우리가 작성한 C code가 실제로는 이렇게 작동한다.

Byte Address

대부분의 processor들은 byte가 기본단위이다.

• Alignment restriction : MIPS의 모든 instruction은 32bit. 어떤 data나 instruction을 word단위로 써야 한다. 따라서 word단위로 align된다.

• Big Endian : 자릿수 높은걸 LSB에 저장하는 processor.

  Ex) MIPS, IBM360/370

• Small Endian : MSB에 자릿수 높은 것을 저장.

  Ex) Intel, ARM(둘 다 지원)

Memory Operands

• main memory는 주로 composite data(array, structures, dynamic data)에 쓰인다.

• Arithmetic Operation을 적용하기 위해서

  1. memory에 있는 값을 register에 load.
  2. 연산이 끝난 후에 결과를 다시 register에서 memory로 store 한다. 이런 Load/Store Arthitecture라고 한다.

  RISC계열 processor인 MIPS는 Arithmetic Operation에서 memory에 접근할 수 없다.(but CISC는 가능)

• memory의 기본 단위는 byte이기 때문에 byte addressed.

• memory는 word(4byte)로 align돼있다. 왜냐하면 MIPS는 32bit processor이기 때문이다.

• MIPS는 Big Endian이다.

Memory Operand Example 1

• C code

  g = h + A[8];
  

  g, h, base addr of A는 각각 $s1, $s2, $s3에 mapping됐다고 하자.

• Compiled MIPS code :

  lw $t0, 32($s3) # lw : load word | offset(base address)
  add $s1, $s2, $t0
  

  A[8] 배열은 int형 array이기 때문에 offset은 index=8이므로 32가 된다.

Memory Operand Example 2

• C code

  A[12] = h + A[8];
  

  h, base addr of A는 각각 $s2, $s3에 mapping됐다고 하자.

• Compiled MIPS code :

  lw $t0, 32($s3) # 32($s3)의 값을 $t0에 load
  add $t0, $s2, $t0
  sw $t0, 48($s3) # sw : store word, $t0의 값을 48($s3)에 store
  

Register vs Memory

• register는 memory보다 훨씬더 빠르다.

• memory에 있는 data를 연산할 때에는 Load/Store 명령을 써야한다.

  -> 원래 연산에 쓰이는 것보다 더 많은 instruction을 써야한다.

• 따라서 Compiler는 memory에 대한 접근은 최대한 줄이고 register에 대한 접근을 늘려야한다.

  • 자주 안쓰는 data들은 memory에 다시 돌려놓기.
  • Register optimization은 중요하다.

MIPS Register File

• 32bit가 register가 32개. 2개의 read port, 1개의 write port.

• address가 5bit인 이유는 5개의 bit만으로 32개의 register address를 표현할 수 있기 때문. \(2^{5 bit}=32bit\)

• Write data : register에 값을 쓰기 위해 있다.

• dst address : write data가 쓰여질 곳의 register주소.

• Src1,2 data : src address에 의해 정해진 주소의 값을 읽을 때 쓰인다.

CPU가 매번 memory에 access해서 값을 읽어 오는 것은 overhead가 큰 일이다. Register는 memory보다 빠르기 때문에 overhead가 적고, 이는 CPU안에 register가 있는 이유다. 그러나 register의 개수를 늘리거나 port를 늘릴수록 속도는 낮아지기 때문에 좋다고 계속 늘리면 안된다.

• memory에 있는 data를 읽어오기 위해선 32bit의 address가 필요한데 register는 5bit만으로 표현이 가능하다. 따라서 여러개의 register를 사용할 때 1개의 instruction에서 이를 처리할 수 있기 때문에 code density가 향상되는 것이다.

  
  

  Q1) memory가 왜 32bit인가요? register는 5bit였는데??

  A1) 메모리의 주소가 32bit address로 표현되는 이유는 MIPS가 32bit 체계를 써서 memory bus가 32bit라서 그런 것이다.

  
  

  Q2) memory bus가 무엇인가요? - 답변 출처

  A2) 전기적 연결을 위한 전도체나 전선의 집합. data와 address를 main memory에서 CPU로 전달하게 해준다.

  1. data bus : memory와 CPU사이 information 전달. 넓을수록 좋다.(한번에 많이 전달하게 되니깐)
  2. address bus : 정보가 memory에 저장될 수 있는 위치와 memory가 필요할 때 정보가 어디에 있는지 시스템에 알려준다. 모든 애플리케이션이 memory에 access해야 하므로 address bus의 속도는 컴퓨터의 모든 작업에 영향을 미친다. 시스템으로부터 정보가 얼마나 빨리 오고 가든지 간에, address bus가 정보를 보내는 속도에 의해 제한된다.
  3. bus : computer내부의 컴포넌트 사이에서 data를 전달하는 통신체계. - 출처

MIPS Register Convention

이 부분에 대해서는 나중에 다시 다룰 예정이다.

Immediate Operands

Operand 중 하나가 상수인 경우에 immediate operand라고 한다. 명령어 뒤에 i를 붙인다.

addi $s3, $s3, 4 # s3 <- s3 + 4

memory에 access해서 4라는 값을 가져온 뒤 연산을 하는 것보단, arithmetic 연산에서 4를 상수로 표현할 수 있다면 memory access가 필요 없으므로 성능을 향상시킬 수 있다. load명령을 사용 안했기에 instruction 하나를 줄여서 성능향상.

addi $s2, $s1, -1

MIPS에서 immediate instruction으로 sub명령어는 지원을 안한다. 따라서 상수에 음수값을 넣어서 계산해준다.

Process 만들 때 4가지 design principle 중 3번째

1. Simplicity favors regularity

2. Smaller is fast

3. Make the common case fast

   작은 상수값은 흔하게 쓰인다. 따라서 흔히 쓰이는 상수값들을 immediate operand를 사용해서 연산하고, memory에 load를 피함으로써 성능향상.

The Constant Zero

MIPS의 regiset 0은 $zero이고 항상 0의 값을 가진다. 덮어쓰기가 안되고 읽기만 가능한 register이다. 이걸 쓰면 다른 명령어들을 간단하게 구현할 수 있다.

만약 $s1의 값을 $t0에 옮기고 싶다면 move, copy등의 명령어가 필요하다. 그러나 $zeroregister가 있다면, add로 간단하게 구현이 가능하다.

move $t0, $s1 # t0 <- s1
# mov명령어 대신,
add $t0, $s1, $zero # t0 <- s1 + 0 = s1

따라서 $zero를 써서 MIPS에서 move라는 추가적인 명령어를 만들 필요가 없게 된다.

MIPS Instructions

1. 32bit instruction word로 돼있다.

2. Opcode(operation code), register number 등 명령어로 만들 format이 별로 없다.

   -> 간단학 regularity 해서 고성능을 낼 수 있는 것.

R-format Instructions(Arithmetic operation)

• op : operation code(opcode)
• rs : first source register
• rt : 2nd source register
• rd : destination register
• shamt : shift 연산에 사용되는 field
• funct : opcode를 확장한 field. 어떤 operation은 opcode로 다 표현할 수 없어서 확장한게 funct field이다. Arithmetic operation들은 실제로 이 field에 의해서 결정된다.

rs, rt으로op의 연산을 하여 rd에 저장.

Ex) $s1, $s2 register로 add연산을 하여 $t0에 저장.

하나의 instruction에 여러개의 register가 있음을 알 수 있다. 아까 위에서 공부했던 MIPS Register File에서 code density가 향상된다고 했었는데 이러한 이유 때문이었음을 알 수 있었다.

R-format Example

add $t0, $s1, $s2

• addoperation은 special opcode를 가진다(0).
• 아까 위에서 MIPS Register Convention에 대해 언급했었다. 해당 표에서 $t0 : reg 8, $s1,$s2 : reg 17,18임을 알 수 있다.
• shamt=0shift 연산이 없기에 0.
• special opcode = 0에서 add의 funct=32이다.

결과를 binary code(=machine code)로 다시 표현하면, \(00000010001100100100000000100000 = 02324020_{16}\) 과 같이 되고 이런 machine code가 CPU에게 add $t0, $s1, $s2라는 명령을 진행하라고 하는 것이다. Machine code(=binary code)는 사람이 보면 이해를 할 수 없고 CPU만 이해할 수 있다.

I-format Instructions

• rt : destination register나 source register number 가 될 수 있다.
  • Arithmetic operaiton일 때에는 destination register가 된다.
  • Load 명령어일 때에는 destination register가 된다.
  • Store 명령어일 때에는 source register가 된다.
• rs : base address 값.
• address field : offset
• Constant : -2^15 ~ 2^15 - 1 의 값 표현가능.

I-format1개로 2개의 instruction을 지원한다. Load/Store와 Immediate arithmetic이다.

Q3) memory가 만약 4GB쯤 된다면 address field가 16bit밖에 표현 못하면 문제 있는거 아닌가?

A3) 그래서 address field를 offset으로 사용하는 것이다. 16bit address field로 memory의 모든 용량을 표현할 수 없기 때문에 displacement addressing방식을 사용하여 rs를 기준으로 16bit(address field)만큼의 offset을 더하고 빼서 주소를 표현하는 것이다. 따라서 우리가 표현할 주소는 rs + address field가 된다.

Process 만들 때 4가지 design principle 중 4번째

1. Simplicity favors regularity

2. Smaller is fast

3. Make the common case fast

4. Good design demands good compromises

   immediate arithmetice과 Load/Store instruction은 별개의 명령어이다. 하지만 이 2개가 같은 format을 사용한다. format이 많아지면 복잡해지기 때문에 최대한 간단히 만들어야 한다.

Logical Operation

Shift Operations

• shamt : shift를 얼마나 했는지. 몇 bit만큼 움직일 것인가를 나타냄.

• shift left logical : 왼쪽으로 bit를 이동시킨다. 움직이고 빈 공간에는 0을 채운다.

  sll $t0, $s0, 2 # s0를 왼쪽으로 2칸 이동
  

• shift right logical : 오른쪽으로 bit 이동. 빈 공간에는 0 채운다.(양수에만 적용된다)

  srl $t0, $s0, 3 # s0를 오른쪽으로 3칸 이동 (단, s0는 양수)
  

AND Operations

Bit 단위로 AND연산을 한다. 어떤 특정한 값을 masking할 때 쓰인다.

OR Operations

어떤 특정한 bit를 1로 만들고 나머지 값은 유지하고 싶을 때 쓴다.

NOT Operations

NOToperation은 MIPS에 없어서 NOR로 구현했다.

Conditional Operations

만약 해당 조건이 True라면 labeled instruction으로 branch한다. 그렇지 않으면 그 다음 명령어를 순차대로 실행.

beq rs, rt, L1 # if rs==rt, then go L1. otherwise go next instruction.
bne rs, rt, L1 # if rs!=rt, then go L1. otherwise go next instruction.
j L1 # go L1 unconditionally

Compiling IF Statements

• C code

  ```c if (i==j) f = g + h; else f = g - h;

• Compiled MIPS code(대략적인 코드) :

  # i:$s3, j:$s4, f:$s0, g:$s1, h:$s2
  bne $s3, $s4, Else
  add $s0, $s1, $s2
  j Exit
    
  Else: 
  	sub $s0, $s1, $s2
  Exit: