컴퓨터를 디자인하자

프로그래머 관점

컴퓨터 구조를 잘 아는 프로그래머도 컴퓨터 디자인에 참여

 -> 명령어를 짜거나 한다.

컴퓨터 디자인은 레지스터와 명령어 디자인

-> CPU, GPU를 짜기 위해서는 하드웨어 전문가가 ASIC 등을 이용해 로직을 짠다. 이용해 로직을 짠다. GPU같은 경우는 그래픽 프로세싱을 위한 알고리즘 전문가도 필요하며, 컴퓨터 기기와 조화를 이루게 하기 위해 인터페이스 전문가도 들어가게 된다. 여기에 프로그램 개발자 또한 포함되는데, 개발자들은 명령어 디자인과 같은 기기 실 사용에 관련이 있는 부분에 관여를 한다.

레지스터 디자인의 핵심

레지스터는 몇 비트로 구성할 것인가?

 -> 32비트 컴퓨터라면 레지스터 또한 32비트, 64비트 컴퓨터라면 64비트로 디자인 하는게 일반적이다. 성우횽은 16비트로 해보겠다고 한다.

몇 개 정도로 레지스터를 구성할 것인가?

-> 레지스터는 많으면 많을수록 좋다. 성우횽은 일단 8개로 해보겠다고 한다.

레지스터 각각을 무슨 용도로 사용할 것인가?

-> 레지스터는 범용적으로 사용하기보단 일반적으로 특정 용도를 가지고있다. 성우횽은 r4 ~ r7까지 용도를 주었다.

r4 : instruction register

r5 : stack pointer

r6 : link register

r7 : program counter

r0 ~ r3 레지스터는 연산을 위한 범용 레지스터다.

명령어 구조 및 명령어 디자인

명령어의 기본 모델

16비트 명령어

 -> 레지스터를 16비트로 만들자고 했기 때문에 명령어 또한 16비트가 되어야 한다.

사칙연산 명령어 구성

16비트 명령어 안에는 예약, 연산자, 저장소, 피연산자1, 피연산자2가 들어가 있다.

명령어 디자인이 되어 있어야 ALU가 명렁어를 해독할 수 있다. CPU디자인이 명령어 디자인과 병행되어야 하는 이유고, 하드웨어 전문가와 소프트웨어 전문가가 협업해야 하는 이유다.

이 경우 연산자에 3비트, 저장소에 3비트, 피연산자 각각 4비트로 구성했다.

-> 하지만 명령어에 따라 명령어 구성이 달라질 수 있다.(Store, Load 참고) 명령어 구성요소는 고정되어있지 않다.

연산 결과는 일단 레지스터에 저장한다. CPU 역시 마찬가지다. 여기서 레지스터가 8개이기때문에 저장소 3비트로 표현이 충분하다.

피연산자에는 레지스터 or 숫자가 올 수 있다. 이렇듯 조건이 붙게 되면 그만큼 비트를 조건 판독에 할애해야 한다. 첫번째 비트가 0이면 숫자, 1이면 레지스터라는 약속을 두거나 하는 등의 양보를 해야 한다는 것.

RISC와 CISC

명령어가 단순한 CPU 구조를 RISC(Reduced)라고 부른다. CISC(Complexed)는 복잡한 명령어를 뜻한다. 사용자가 원하는 명령을 다 적용시킬 수 있다.

RISC는 명령어 조합이 다양하지 않다. CISC로 한줄짜리 명령어를 RISC로 수십 줄 가량이 필요한 경우가 생긴다. 하지만 속도면에서는 RISC를 사용하는 것이 더 효율적이다.

RISC CPU의 연산 단계는 Fetch, Decode, Execution로 이루어지는데, 이 단계는 각각 1클락에 이루어진다고 보면 된다.

예를 들어 하나의 명령어를 실행하는데 드는 클락 비용은 3클락이다. 그 말은 5개 명령어를 수행하는데 드는 클락은 15클락이 되는 것이다.(3 * 5 = 15)

하지만 한 명령어를 3클락에 수행하지 못하는 경우를 주로 CISC라고 부르는데, 만약 3클락에 다 해결할 수 있으면 첫번째 명령어를 Fetch할때 다른 명령어를 Decode할 수 있고, 명령어를 Decode할 때 다른 명령어를 Execution 할 수 있다.

 -> 즉, Fetch와 Decode와 Execution을 한 클락에 동시 수행이 가능하다는 것이다.

-> 7클락에 5개의 명령어를 처리할 수 있다. n개의 명령어를 처리하는데 필요한 클락 수는 +2개가 된다는 것이다.

그렇기 때문에 CISC보다 적은 클락 수로 똑같은 일을 할 수 있는 것이다. -> 고성능 컴퓨터에서 RISC가 더 좋은 이유

반드시 클럭이 높다고 좋은 것이 아니라, 한 클럭 당 얼마나 효율적으로 연산을 수행하는가도 중요

클럭수가 낮으면 또한 열도 적게 발생한다.

결론 RISC 짱

LOAD와 STORE 명령어는 사칙연산 연산자와 명령어 구조가 다르다.