기록하는 공간

Computer Architecture 1강 ~ 5강 정리

03 Nov 2019

1강 컴퓨터란?

컴퓨터의 정의
  • 전자 회로를 이용하여 데이터를 처리하는 장치로 방대한 데이터를 저장하고 자동적으로 계산
  • 입력, 제어, 기억, 연산, 출력 기능
컴퓨터가 할 수 있는 일
  • 복잡한 계산(미적분, 통계)
  • GPU 발전에 따라 초정밀 그래픽 구현 가능
  • 네트워크 통신
컴퓨터의 역사

고대

  • 계산 도구로서 처음 만들어진 주판
  • B.C 3000년 고대 메소포타미아에서 사용
  • 17C까지 사용

중세

  • 1642년 프랑스 수학자 파스칼이 톱니바퀴 이용한 계산기 발명
  • 최초 기계식 게산기
  • 기어로 연결된 바퀴판(덧셈, 뺄셈 가능)
  • 1671년 독일 라이프니츠가 개량하여 곱셈, 나눗셈도 가능한 계산기 발명(2진법 사용)

근현대

  • 19C 영국 찰스 배비지가 차분엔진 발명, 현대 컴퓨터의 개념 처음으로 제시
  • 차분 기관과 해석 기관을 설계하여 제어, 연산, 기억, 입출력 가능. 범용적으로 사용된 최초 컴퓨터
  • 프로그램과 데이터로 구성된 입력에는 천공카드 사용
  • 1930년대 앨런 튜링, 알론조 처치 등이 계산 가능성 및 불가능성에 대해 연구(정지 문제)
  • 이를 기반으로 튜링 머신 탄생. 긴 테이프에 부호 기록, 이를 프로그램처럼 사용
  • 1941년 독일 콘라드 추제 Z3 발명
  • 1945년 폰 노이만 Stored-Program Architecture 제안. 이전까지는 전선을 재배치하여 컴퓨터에게 다른 일을 시켰으나 폰 노이만 이후 S/W를 교체하는 방식 사용
  • 1946년 미국 ENIAC 제작(탄도 계산 목적). 10진법 사용, 30t 넘는 무게와 엄청난 전력 소모

현대

  • 1960년대: 초기의 다목적 컴퓨터 IBM 시스템/360 개발(초당 34,500 명령 수행, 8~64KB 메모리)
  • 1970년대: 톰슨과 리치가 Unix와 C 개발, Intel의 8008 프로세서 개발
  • 1980년대: Intel 프로세서와 MS-DOS 사용하는 IBM PC 등장, GUI와 마우스 사용하는 애플 매킨토시 등장
  • 1990년대: 리누즈 토발즈의 Linux 개발, Microsoft의 Windows 등장, 인터넷 포털 등장
  • 2000년대: 컴퓨터를 활용하여 인간 DNA 염기서열을 밝히는 Genom Project, 애플의 iPhone 필두로 많은 스마트폰 출시(web이 재되어 접근성이 높아지고 web에서 생성된 데이터 증가), 빅데이터와 인공지능의 시대

2강 컴퓨터 구조 분야의 8가지 아이디어

8가지 아이디어

  1. 무어의 법칙을 고려한 설계

    • 18~24개월마다 칩에 집적되는 소자의 수가 2~4배가 된다는 법칙
    • 시간의 흐름에 따른 컴퓨터의 발전 속도

  2. 설계를 단순화하는 추상화

    • 컴퓨터 자원이 많아짐에 따라 설계 시간이 길어짐
    • 설계 기간이 길어지면서 생산성이 낮아짐
    • 생산성을 높이기 위해 추상화 개념 사용
    • 하위 수준의 상세한 사항을 안 보이게 함으로 상위 수준 모델을 단순화

  3. Common Case Fast

    • 자주 발생하는 일을 빠르게 처리하여 성능 향상
    • Common Case가 무엇인지 알고 있다는 가정
    • Common Case에 대한 세심함 실험과 측정 필요
  4. 병렬성을 통한 성능 개선
    • 문제를 작은 문제로 분할(예: thread)
  5. 파이프라이닝을 통한 성능개선
    • 병렬성의 특별한 형태
    • 처음 단계 출력이 다음 단계 입력으로 이어지는 구조
  6. 예측을 통한 성능 개선
    • 복구 비용이 낮고 성공확률이 높을 때 효과적
    • 정확한 예측을 위한 지표 필요
  7. 메모리 계층 구조
    • 처리 속도가 높은 것부터 낮은 순으로
    • 처리 속도 빨라짐
  8. 여유분을 이용한 신용도 개선
    • 컴퓨터는 신뢰할 수 있어야 함
    • 장애대처를 위한 여유분 준비(backup과 같은 이치)

3강 컴퓨터의 구성요소 및 역할

컴퓨터의 구성 요소

  • 입력(Input)
  • 출력(Output)
  • 메모리(Memory)
  • 데이터 패스(Data Path)
  • 제어 유닛(Control Unit)
구성요소별 역할

프로세서

  • 메모리로부터 명령과 데이터를 얻음
  • 제어 유닛은 프로그램 명령에 따라 데이터 패스, 메모리, 입/출력의 동작 결정

메모리

  • 실질적으로 데이터가 저장되는 공간

입력

  • 데이터를 메모리에 씀

출력

  • 메모리로부터 데이터를 읽음
프로세서

프로세서의 역할: CPU

  • 메모리로부터 명령어를 받아와 제어신호 생성
  • 기계어를 해석하고 연산
  • 컴퓨터 기술을 이끄는 원동력
  • 두뇌와 같은 역할

프로세서의 역할: GPU

  • 픽셀로 이루어진 영상을 처리하는 용도
  • 싱글코어는 CPU보다 저성능이나 병렬적인 수천개의 코어가 연결되어 있음
  • 인공지능 기술발전의 선도주자

프로세서의 동작 과정

  • 제어유닛(Control Unit)
    • 명령어를 순서대로 실행하도록 제어
    • 제어 신호 생성 후 주변 장치에 전달
  • 레지스터(Register)
    • CPU와 비슷한 속도의 고속 기억 장치, 임시 저장 공간
    • 범용 레지스터: 연산에 필요한 데이터나 연산결과를 임시로 저장하는 레지스터
    • 특수목적 레지스터: 특별한 용도로 사용되는 레지스터
  • 산술/논리 연산장치(Arithmetic/Logic Unit, ALU)
    • 산술연산과 논리연산 수행
    • 연산에 필요한 데이터를 레지스터에서 가져오고 결과를 레지스터에 저장
메모리

메모리의 역할

  • 명령어(프로세스) 및 데이터 적재
  • 정보를 저장해서 필요할 때 읽어들이는 저장소
  • 레지스터의 용량이 너무 작아서 출시됨
  • RAM, ROM, CACHE 등
입출력장치

입력장치의 역할

  • 데이터를 입력하기 위한 컴퓨터의 외부 장치
  • 키보드, 마우스, 스캐너 등

출력장치의 역할

  • 컴퓨터에서 처리된 결과를 출력해주는 장치
  • 모니터, 프린터, 스피커 등

4강 기계어, 어셈블리어와 고급어

고급언어
  • 일반적으로 언급되는 프로그래밍 언어
  • C 언어, Python, Java 등
  • 컴파일러가 고급언어를 어셈블리어로 번역
어셈블리어
  • 컴파일러로부터 생성된 어셈블리어는 기계어가 이해할 수 있는 형태로 번역됨
  • 기계 사고 방식의 언어
  • 어셈블러가 어셈블리어를 기계어로 번역
기계어
  • 기수가 2인 숫자로 구성
  • 비트(bit) 단위
시스템 소프트웨어
  • 공통적으로 필요한 서비스를 제공하는 소프트웨어
  • 운영체제, 컴파일러, 로더, 어셈블러
  • 프로그램(application software) - 하드웨어 간의 인터페이스 역할
High Level Language
  • 기계어를 고도로 추상화한 표현으로 인간이 이해하기 쉬운 형태
  • 프로그램을 개발한 기종에 상관없이 어느 컴퓨터에서든 실행 가능
  • 컴파일 과정에서 불필요한 instruction이 생성되므로 다소 느림
  • C와 Python을 비교하면 C가 더 적은 assembly instruction이 발생하므로 더 빠르고 용량이 적음
Low Level Language
  • 컴파일러나 어셈블리어가 생성하는 불필요한 instruction 최소화 가능
  • 기계적 사고 방식을 강요하여 프로그램 구성을 위한 소요가 큼
  • 효율성 떨어짐

5강 성능

성능의 정의
  • 시간과 리소스에 대응되어 컴퓨터 시스템이 수행하는 작업의 양
  • 다양한 성능 측정 척도(속도, 단위 시간당 처리 양 등)
  • 개인 사용자: 응답 시간(Response time)
  • 데이터 센터 관리자: 처리량(Throughput)
성능의 척도

응답시간

  • 작업 개시부터 종료까지의 시간
  • 디스크 접근, 메모리 접근, 입출력 작업, 운영체제 오버헤드, CPU 연산시간 등 포함

처리량

  • 단위 시간당 처리할 수 있는 일의 양
  • 응답시간과 다른 척도로 시스템 성능을 평가할 때 사용
성능의 측정

성능과 실행시간과의 관계

  • 성능 x = 1 / 실행시간 x
  • 성능 x > 성능 y일 경우, 실행시간 x < 실행시간y
  • 성능x / 성능y = n
  • 성능 x = n * 성능y (x가 y보다 n배 빠름)

문제

같은 프로그램이 컴퓨터 A에서 10초, B에서는 15초 걸릴 때 A가 B보다 얼마나 빠른가?

➡️ 성능 a / 성능 b = 실행시간 b / 실행시간 a = n

15 / 10 = 1.5

클럭

  • 하드웨어 이벤트가 발생하는 시점 결정
  • 클럭 사이클: 클럭의 시간 간격
  • 클럭 속도: 클럭 사이클의 역수

CPU 성능과 성능 인자

  • 궁극적인 CPU 성능 척도는 CPU 시간(입/출력, 다른 프로그램 미포함)
  • 프로그램의 CPU 실행시간 = 프로그램의 CPU 클럭 사이클 수 / 클럭 속도
  • 클럭 사이클 수 = 명령어 수 * 명령어 당 평균 클럭 사이클 수(CPI)

문제

2GHz 클럭의 컴퓨터 A에서 10초 수행되는 프로그램이 있다. 이 프로그램을 6초 동안 실행할 컴퓨터 B를 설계하려 할 때 A보다 1.2배 많은 클럭 사이클이 필요하게 된다. 컴퓨터 B의 클럭 속도는?

➡️ CPU 시간 = 클럭 사이클 수 / 클럭 속도

10 = 클럭 사이클 수 / 2 * 10^9

클럭 사이클 수 = 2 * 10^10

6 = 2 * 10^10 * 1.2 / x

x = 4 * 2 * 10^9, 클럭 속도 = 4GHz

CPI

  • CPI = Clock cycle Per Instruction
  • 명령어 하나의 실행에 필요한 평균 클럭 사이클 수
  • CPU 클럭 사이클 수 = 명령어 수 * CPI
  • 프로그램의 CPU 실행시간 = 명령어 수 * CPI / 클럭 속도

Related Posts