🖥️ [Computer Architecture] CPU 🖥️

🖥️ CPU(Central Processing Unit; 중앙처리장치)

🖥️ ALU

ALU(Arithmetic Logic Unit; 산술논리연산장치)란 CPU의 계산을 담당하는 장치입니다.

• ALU가 받아들이는 정보
  • 레지스터(Register)에 저장된 Operand
  • 제어신호(수행할 연산이 무엇인지 제어장치(Control Unit)가 알려주는 신호)
• ALU가 내보내는 정보
  • 연산한 결괏값을 레지스터에 일시적으로 저장
  • 플래그(Flag)를 플래그 레지스터에 저장

🖥️ Control Unit

제어장치(Control Unit)란 제어신호를 내보내고 명령어를 해석하는 부품입니다.

• 제어장치가 받아들이는 정보
  • Clock 신호
  • IR(Instruction Register; 명령어 레지스터)로부터 해석해야 할 명령어
  • 플래그 레지스터 속 플래그 값
  • CPU 외부 장치에서 제어 버스(Control Bus)로 전달된 제어신호
• 제어장치가 내보내는 정보
  • CPU 내부 장치에 전달하는 제어신호(Ex. ALU, Register)
  • 제어 버스로 전달하여 CPU 외부 장치에 전달하는 제어신호(Ex. Memory, I/O Device)

🖥️ Register

레지스터(Register)란 CPU 내부의 작은 임시 저장 장치로 프로그램 속 명령어와 데이터가 저장됩니다.

CPU 안에는 다양한 레지스터들이 있고 CPU 종류마다 서로 다른 레지스터들을 가지고 있습니다. 많은 CPU들이 공통적으로 가지고 있는 레지스터는 다음과 같습니다.

Register	Store
PC(Program Counter) | IP(Insturction Pointer)	가져올 명령어가 저장되어 있는 메모리 주소를 저장
MAR(Memory Address Register)	PC에 저장된 메모리 주소를 저장
MBR(Memory Buffer Register) | MDR(Memory Data Register)	MAR에 저장된 메모리 주소에 저장되어 있는 명령어 또는 데이터를 저장
IR(Instruction Register)	MBR에 저장된 명령어를 저장
General Purpose Register	MAR, MBR과 다르게 데이터와 주소 상관없이 저장
Flag Register	ALU 연산 결과 중 Flag를 저장
Stack Pointer	Stack Area에 마지막으로 저장된 값의 주소를 저장
Base Register	프로그램의 첫 Physical Address를 저장
Limit Register	Logical Address의 최대 크기를 저장

🖥️ Cache

Cache(캐시)의 등장 이유와 기본 스펙은 다음과 같습니다.

• 캐시 등장 이유: CPU의 연산 속도와 메모리 접근 속도 차이를 줄이기 위해 등장한 SRAM 기반의 저장 장치
• 캐시의 위치: CPU(CPU Core ━ L1 Cache ━ L2 Cache) ━ L3 Cache ━ Memory
• 캐시의 용량: Register < L1 Cache < L2 Cache < L3 Cache < Memory
• 캐시의 속도: Register > L1 Cache > L2 Cache > L3 Cache > Memory

캐시의 이점을 제대로 활용하기 위해서는 Cache Hit Ratio를 높여하는데 이를 위해 캐시는 다음과 같은 참조 지역성 원리(Locality Of Reference, Principle Of Locality)에 따라 메모리로부터 가져올 데이터를 결정합니다.

• 시간 지역성(Temporal Locality): CPU는 최근에 접근했던 메모리 공간에 다시 접근하려는 경향이 존재
• 공간 지역성(Spatial Locality): CPU는 최근에 접근했던 메모리 공간 근처를 접근하려는 경향이 존재

Cache Hit Ratio: Cache Hit Ratio $=$ Cache Hit $/$ $($Cache Hit + Cache Miss$)$

🖥️ Multi-Core

Multi-Core(Multi-Core Processor)란 CPU Core를 여러 개 포함하고 있는 CPU를 말합니다.

일반적으로 Core의 개수가 증가하면 성능이 증가하지만 연산 속도가 반드시 Core의 개수에 비례해서 증가하지는 않으며 작업량이 적은 경우 Core의 개수가 증가한다고 해서 성능이 좋아지지는 않습니다.

🖥️ Multi-Thread

Multi-Thread Processor(Multi-Thread CPU)란 하나의 Core로 여러 명령어를 동시에 처리하는 CPU를 말합니다.

하나의 Core로 여러 명령어를 처리하기 위해서는 하나의 명령어를 처리하는데 필요한 레지스터가 여러 개 있으면 되기 때문에 Multi-Thread Processor에서는 레지스터가 핵심 장치입니다.

• 하드웨어적 Thread(Logical Processor): 하나의 Core가 동시에 처리하는 명령어 단위
• 소프트웨어적 Thread: 하나의 프로그램에서 독립적으로 실행되는 단위