10. Microprocessor

Computer Category

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• Servers
• laptop
• Embedded computers
• Ultra-Mobile Personal Computers

서버는 신뢰성,성능이 중요.

복잡한 연산을 하는 서버가 있고, 간단한 연산이지만 많은 일을 처리해야하는 서버도 있음.

 

임베디드는 내장형.

냉장고,청소기.. 등 special purpose

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모든 컴퓨터 기능은 네 가지 기본 요소로 구성된다

• Data processing (명령어 처리)
• Data storage (명령어 저장)
• Data movement (연산결과를 메모리에 쓰기)
• Control

폰 노이만 구조의 컴퓨터를 사용하기 때문에 

메모리에 저장되어있는 값을 cpu가 가져와서 처리하고, 처리한 값을 메모리에 써줘야 함.

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Components of a Computer

• CPU (Registers +ALU + Control unit)
• Bus (Data, Address, Control Bus)
• Memory ([internal/external], ROM(PROM,EPROM),RAM, DRAM(SDRAM,DDR RAM),SRAM, Cache ...)
• IO 
• DC Power

컴퓨터는 폰노이만 구조로 CPU와 메모리가 분리되어 있는데,

프로그램의 전체 정보를 메모리에 올려놓은 후 

CPU가 필요한 데이터를 적절히 register로 가져와(Bus를 통해 가져옴)  연산하고, 다시 메모리에 쓴다.

 

폰 노이만 구조

CPU와 메모리가 분리되어있고, 

프로그램의 전체 정보를 메모리에 올려놓으면 Bus를 통해 메모리의 데이터를 읽고 쓸 수 있다.

폰 노이만 구조의 병목현상을 해결하기 위해 하버드 아키텍처가 나오기도 하였다.

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CPU

CPU는 제어장치(control unit),연산장치(ALU),레지스터로 이루어짐.

 

레지스터는 CPU의 working space임(temporary storage)

PC(Program Counter),Status(flag) register,Stsack pointer, HW control register 등..다양함.

(복잡한 연산을 지원하는 명령어,HW가 없으면 더 많은 register가 필요하다고 한다.)

 

cpu instruction

cpu에서의 가장 작은 작업 수행 단위

 

ISA(instruction Set Architecture) 명령어 집합

하드웨어 제조사마다 ISA가 다름.

 

• CISC : 다양하고 많은 명령어 집합을 가진 컴퓨터
• RISC : 단순하고 최소한의 명령어 집합을 가진 컴퓨터

 

CISC보다 RISC에서 레지스터가 더 많이 필요함.

 

CPU must

• Fetch instructions (명령어를 가져오기)
• Interpret instructions (명령어 해석하기)
• Fetch data 
• Process data
• Write data

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BUS 

• Data Bus : carries data(including instructions)
• Address Bus : identify the src,dest of data
• Control Bus : memory read/write signal, interrupt request ...

Bus Arbitration

• centralized : 버스를 중재하는 전용 하드웨어를 추가하는 방법
• distributed

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Memory

• Internal(on-chip) and external
• ROM(PROM,EPROM,FLASH) and RAM
• DRAM(SDRAM, DDR RAM) and SRAM
• Cache, Main memory, Virtual memory

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RAM(Random Access Memory)

 

휘발성. 전류가 끊기면 데이터가 날아가는 임시 저장장치

static /dynamic RAM

 

SRAM(static RAM)

flip-flop

빠른 입출력

비쌈

 

DRAM(dynamic RAM)

기억장치의 내용을 주기적으로 갱신해줘야 함.

 

SDRAM(synchronous DRAM)

DRAM의 발전된 형태,

클럭에 동기화된 DRAM임.

 

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ROM(Read Only Memory)

전류가 끊겨도 값을 기억함.

 

PROM(Programmable ROM)

1회에 한해 새로운 내용을 기록할 수 있음

 

EPROM(Erasable Programmable ROM)

자외선(UV)로 내용을 지울 수 있음

 

EEPROM(electrically Erasable Programmable ROM)

전기신호로 내용을 지울 수 있음

 

FLASH memory

전기적으로 내용을 지울 수 있음. USB,SSD 등

 

 

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폰 노이만 구조의 병목현상

memory에서 값을 가져와서 cpu에서 처리해야하는데 값 가져오는 속도가 너무 느림.

cpu는 필요한 데이터가 도착할 때까지 지속적으로 기다려야 한다.

이 성능 문제는 CPU와 메인메모리 사이의 캐시에 의해 줄일 수 있다.

 

Cache

cpu와 메인메모리 사이에 작고 빠른 cache메모리를 두고 사용.

필요한 데이터를 예측해서 cache에 넣어두고 빠르게 꺼내 사용

 

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IO

입출력(키보드 마우스 등)

 

IO가 메모리에 접근하는 방식

 

• Programmed IO
• DMA(direct memory access)
• memory-mapped IO
• IO-mapped IO

Programmed IO

CPU가 직접적으로 IO를 제어함(sensing status, read/write command, transferring data)

CPU는 IO동작이 끝나기까지 기다려야함

CPU낭비가 심함

 

DMA(direct memory access)

CPU도움없이 IO가 직접적으로 memory에 접근함.

빠르고 cpu 방해하지않는다는 장점이 있음.

 

Memory-mapped IO

IO장치와 memory의 주소체계를 공유함.

cpu는 이 주소가 memory인지 IO장치인지 구분하지 못함.

 

 

IO-mapped IO

memory와 IO의 주소체계를 분리함.

 

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Interacting with external devices

 

• polling
• interrupt

Polling

cpu가 IO 사용여부를 수시로 조사함.

process 낭비가 심함

 

Interrupt

IO가 장치를 사용하는 경우 CPU에게 말함(방해)

복잡하고 필요한 HW가 필요함

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Pipelining기법

출처: 위키피디아 https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%AA%85%EB%A0%B9%EC%96%B4_%ED%8C%8C%EC%9D%B4%ED%94%84%EB%9D%BC%EC%9D%B8

명령어 파이프라인(instruction pipeline)은 명령어를 읽어 순차적으로 실행하는 프로세서에 적용되는 기술로, 한 번에 하나의 명령어만 실행하는 것이 아니라 하나의 명령어가 실행되는 도중에 다른 명령어 실행을 시작하는 식으로 동시에 여러 개의 명령어를 실행하는 기법이다.

하나의 명령어는 여러 개의 단계로 나눌 수 있는데, 이때 하나의 명령어를 처리할 때까지 다음 명령어가 처리되지 않고 기다린다면, 명령어의 특정 단계를 처리하는 동안 다른 단계를 처리하는 부분은 아무 작업도 하지 않게 된다. 이때 파이프라인을 사용하면 한 명령어의 특정 단계를 처리하는 동안 다른 부분에서는 다른 명령어의 다른 단계를 처리할 수가 있게 되므로 속도가 향상될 수 있다.

 

동작속도는 그대로이나 한번에 여러개의 명령어를 처리함으로써 효율이 좋아지는 것