컴퓨터 구조 - 다중 인터럽트, 간접 사이클, 명령어 파이프라인

컴퓨터 구조 - 다중 인터럽트, 간접 사이클, 명령어 파이프라인

 

다중 인터럽트

- 인터럽트 서비스 루틴이 수행되는 도중 다른 인터럽트가 발생하는 것.

 

다중 인터럽트의 처리방법

  1. 새로운 인터럽트가 들어오더라도 수행하지 않는다. (인터럽트 플래그를 0으로)

  2. 인터럽트의 우선순위를 정하고 높은 우선순위의 인터럽트가 들어온다면 기존의 것을 중단하고 새로운 인터럽트를 처리.

 

 

간접 사이클

- 명령어에 포함되어 있는 주소를 이용하여, 그 명령어 실행에 필요한 데이터의 주소를 인출하는 사이클 --> 간접 주소지정 방식

- 인출 사이클과 실행 사이클 사이에 위치

- t0 : MAR <- IR(addr)

  t1 : MBR <- M[MAR]

  t2 : IR(addr) <- MBR

 

처음 IR의 addr에 해당하는 부분에는 데이터를 담고있는 주소를 담은 주소가 담겨있다. 즉 IR의 addr을 참조하더라도 데이터의 값이 아닌 데이터를 담은 주소를 참조하게 되는 것이다. 때문에 이 같은 간접사이클이 사용된다. 

 

 

명령어 파이프라이닝(instruction pipelining)

-CPU의 프로그램 처리 속도를 높이기 위하여 CPU 내부 하드웨어를 여러 단계로 나누어 동시에 처리하는 기술

 

2-단계 명령어 파이프라인

- 인출 단계와 실행 단계라는 두 개의 독립적인 파이프라인 모듈로 분리

 

위 그림과 같이 첫번쨰 명령어가 인출되면 실행됨과 동시에 명령어 2가 인출이 된다. 이를 2-단계 명령어 파이프라인이라고 한다.

 

2-단계 명령어 파이프라인 문제점

- 두 단계의 처리시간이 동일하지 않으면 두 배의 속도 향상 x

Solution) 단계의 수를 증가시킨다.

 

4-단계 명령어 파이프라인

명령어 인출(IF) -> 명령어 해독(ID) -> 오퍼랜드 인출(OF) -> 실행(EX)

 

파이프라인에 의한 실행 시간

• 파이프라인 단계 수 = k
• 실행할 명령어들의 수 = N
• 전체 명령어 실행시간 = T_k

각 파이프라인 단계가 한 클럭 주기씩 걸린다고 가정하자.

->  T_k = k + (N-1)

즉 첫번째 명령어가 일어나는데 걸리는 시간 k + 두번쨰부터 마지막까지는 1번씩 증가하므로 (N-1)번

 = k+ (N-1)이 된다. (1을 뺴주는 이유는 첫번쨰 명령어는 앞에서 카운트 했기 때문)

 

파이프라인이 되지 않았을 때 걸리는 시간은 어떻게 될까?

- k X N이 된다. 명령어의 단계가 4이고 수가 10이라면 40이 걸리는 것이다. 

 

속도 향상은 이렇다.

T1은 파이프라인이 되지 않았을 떄, 

Tk는 파이프라인이 형성 되었을 때이다.

 

파이프라인의 효율 저하 요인들

• 모든 명령어들이 단계들을 모두 거치지는 않음.
• 파이프라인의 클록(시간)은 가장 오래 걸리는 단계를 기준으로 결정
• IF와 OF를 동시에 기억장치를 엑세스할 시, 기억장치 충돌 가능
• 조건 분기 명령어 --> 미리 인출하여 처리하던 것들이 무효됨

네번째의 조건 분기에 대해서 조금만 살펴보자면, 예를 들어 명령어 4번에서 만약 결과값이 0이라면 명령어 12로 뛰는 Jump가 왔다고 해보자. 이때 명령어 4는 인출하고 실행이 되고 명령어 12로 뛰게 된다. 하지만 그 사이에 실행 된 명령어 5,6은 실행전까지의 단계(인출 및 IF단계)일 것이다. 그렇다면 이 명령어들은 무효화가 된다.

 

이를 최소한으로 방지하기 위해서는 다음과 같은 방법이 존재한다.

• 분기 예측 --> 분기를 예측하고 그에 따른 명령어를 인출
• 분기 목적지 선인출 --> 조건 분기 인식 시에, 분기의 목적지 명령어도 같이 인출
• 루프 버퍼 사용 --> 반복되는 명령어들을 작은 고속 기억장치인 루프 버퍼에 저장해두어 사용
• 지연 분기  --> 분기 명령어의 위치를 재배치

상태 레지스터

- 조건분기 명령어가 사용할 조건 플래그들 저장

 

S

Z

C

X

E

V

I

P

부호 (S) 플래그 : 0이면 양수 1이면 음수

영(Z) 플래그 : 연산 결과값이 0 이면, 1

올림수(C) 플래그 : 덧셈 및 뺄셈에서 올림수나 빌림수가 발생한 경우 1로 세트

동등(E) 플래그 : 같으면 1로 세트

오버플로우(V) 플래그 : 오버플로우 발생하면 1로 세트

인터럽트(I) 플래그 : 인터럽트 가능이면 0, 불가능이면 1

슈퍼바이저(P) 플래그 : 사용자 모드면 0, 슈퍼바이저 모드면 1로 세트

 

 

슈퍼스칼라

- CPU 내부에 두개 혹은 그 이상의 명령어 파이프라인들을 포함시킨 구조

- 매 클록 주기마다 각 명령어 파이프라인이 별도의 명령어를 인출 --> 속도가 파이프라인의 수만큼 향상

- 파이프라인 수 =  m  (m-way : 슈퍼스칼라) 

 

m-way 슈퍼스칼라에 의한 실행 시간은 이렇다.

 

T(m) = k + N-m/m 즉 첫번째 명령어 시간 k + 첫번째 파이프라인 갯수를 뺀 것을 m의 갯수로 나눈 것이다.

 

응용해서 슈퍼파이프라인까지 알아보자

 

슈퍼파이프라인은 단계를 분할하는 것이다. 단계를 분할한다면 인출뒤에 오는 실행이 조금 더 빨라질 것이며 그 빨라진 값은 결국 끝나는 것에도 영향을 준다.

만약 슈퍼파이프라인이 n이라면 기존의 T(k) = k + (N-1) 에서 T(k) = k + 1/n(N-1)이 된다. 

 

그렇다면 슈퍼스칼라와 슈퍼파이프라인 둘 다 존재한다면 어떻게 될까?

표기는 이렇다.

 

T(N,M)이 있을 때 N은 슈퍼스칼라의 크기 M은 슈퍼파이프라인의 정도이다.

예를들어 T(2,3)이 있을 때 슈퍼스칼라의 크기는 2이고 슈퍼파이프라인의 정도는 3이다.

고로 T(2,3)의 T(k) = k + (N-2)/mn이 된다.