CH 1. Computer Architecture

컴퓨터 구조의 큰 3가지 요소는 CPU, Memory, I/O이다.

프로그램은 크게 3가지로 나누어 볼 수 있다.

• Application Software
  • 고급 언어로 작성되어 있다.
• System Software
  • Compiler(컴파일러): HLL(High-level language)코드를 기계어로 번역한다.
  • Operating System(운영체제): I/O를 관리하고, 메모리와 저장공간을 관리한다. 일들을 스케줄링하고 자원을 공유한다.
• Hardware
  • Processor, Memory, I/O controllers가 포함된다.

앞서 컴파일러가 HLL을 기계어로 번역한다고 했는데 프로그램 코드는 High-level language, Assembly language, Hardware representation 3가지 단계로 나눌 수 있다.

컴퓨터의 성능

이제 컴퓨터의 성능에 영향을 미치는 요소들에 대해 알아보도록 하자.

먼저 알고리즘이 있다. 알고리즘은 operation step수를 결정한다.

Programming language, compiler, architecture는 operation당 실행되어야 하는 machine instructions의 수를 결정한다.

Processor, Memory system은 명령어들이 얼마나 빨리 실행되는지를 결정한다.

I/O system(OS포함)은 I/O operation이 얼마나 빨리 실행되는지를 결정한다.

컴퓨터 성능을 측정하는 지표는 크게 Response time(응답 시간)과 Throughput(처리량)으로 나뉜다. Response time은 일을 처리하는데 걸리는 시간, Throughput은 단위시간당 처리할 수 있는 양을 의미한다.

성능 비교

컴퓨터의 성능은 아래 수식처럼 표현한다.

예시를 들어 이해하면 편한데 만일 같은 일을 하는데 A는 10초가 걸리고 B는 15초가 걸렸다고 하자. 직관적으로 A가 더 빠르다는 것을 알 수 있지만 수식으로 계산하면 아래와 같다.

즉 A는 B보다 1.5배 빠르다.

Execution Time

그럼 실행 시간은 어떻게 측정할까? 이를 위해 Elapsed Time과 CPU Time이라는 것이 있다. Elapsed Time는 총 응답시간이다. 즉 Processing, I/O, OS overhead, idle time등을 모두 포함하며 system performance를 결정한다. CPU Time은 해당 작업을 처리하는데 걸리는 시간, 즉 Processing에 걸리는 시간만을 의미한다.

CPU Clocking

이런 시간을 측정하기 위해 Clock을 사용한다.

Clock Period(주기)는 1사이클당 걸리는 시간을 의미한다.

Clock frequency(rate, 진동수)는 1초에 몇번의 cycle을 돌 수 있는지를 의미한다.

CPU Time은 아래 수식으로 나타낸다.

이 역시 당연한 얘기인데 만일 특정 작업을 처리하는데 10번의 사이클이 돌았다고 치자. 그리고 1초에 5번의 사이클이 돌 수 있다면 해당 작업을 처리하는데 걸린 시간은 2초라는 것을 직관적으로 알 수 있다. Cpu Clock Cycle = 10, Clock Rate = 5인 상황이다.

위 수식에 따라 성능은 아래 조건들에 의해 향상된다는 것을 알 수 있다.

• Clock Cycle의 수 감소(분자)
• Clock Rate 증가(분모)

두 가지는 서로 종속적이기 때문에, 하드웨어 디자이너는 종종 클럭 속도와 클럭 사이클 수 사이에서 결단을 내리게 된다.

⭐ 예제
Computer A: 2GHz clock, 10s CPU time
Computer B를 디자인 하려고 할 때 CPU time은 6s이고, clock을 빠르게 할 수 있지만 clock cycle이 1.2배 증가하게 된다. 이 경우 Computer B의 clock은 얼마나 빨라질 수 있는가?

Instruction Count and CPI

Clock Cycle의 경우 Instruction Count x Cycles per Instruction(CPI)로 구한다.

여기서 Instruction Count는 program, ISA, compiler에 의해 결정된다. 또 Average Cycles per instruction은 CPU 하드웨어에 의해 결정된다. 만일 다른 CPI가 명령어마다 다르다면 평균 CPI는 명령어 모음(instruction mix)에 영향을 받을 것이다.

이제 CPI를 예제를 통해 이해해보도록 하자.

 

⭐ 예제
Computer A: Cycle Time = 250ps, CPI = 2.0
Computer B: Cycle Time = 500ps, CPI = 1.2
ISA가 같다고 가정했을 때 어떤 컴퓨터가 얼마나 빠른가?

Average CPI

만일 명령어의 종류가 다양하다면 명령어당 CPI도 다를 것이다. 이를 기반으로 성능을 비교하기 위해 Average CPI라는 개념이 있다. 직관적으로 각 명령어당 CPI를 적용해 전체 clock cycle을 구한 뒤, 평균을 내주면 된다. 수식은 아래와 같다.

예제를 통해 이해해 보도록 하자.

 

⭐ 예제

class	A	B	C
CPI for class	1	2	3
IC in sequence 1	2	1	2
IC in sequence 2	4	1	1

각 Sequence에서의 Average CPI를 구해보도록 하자.

Performance Summary

요약하자면 성능은 아래 요소들과 연관이 있다.

• Algorithm: IC(Instruction Count)에 영향을 미치고 CPI에 영향을 미칠 수 있다.
• Programming language: IC와 CPI에 영향을 미친다.
• Compiler: IC와 CPI에 영향을 미친다.
• ISA(Instruction Set Architecture: IC, CPI, Tc(Total Execution Time)에 영향을 미친다.