Part of your World

프로세서의 캐시

• 데이터를 빠르게 접근할 수 있는 고속 기억장치
• 캐시는 주로 CPU(중앙 처리 장치)와 주 메모리(메인 메모리) 사이에 위치하여 CPU의 작업 속도를 향상시키는 데 사용된다.

일반적으로 캐시는 속도와 용량에 따라 여러 단계로 구성되어 있다.

• 가장 빠르고 작은 용량의 캐시인 L1 캐시부터 시작하여, L2 캐시, L3 캐시, L4 캐시 등으로 이어질 수 있다.
• 이러한 캐시 레벨은 숫자가 작을수록 더 빠르지만, 용량은 작아진다.

캐시는 주로 로컬리티의 원리에 기반하여 작동한다.

로컬리티는 데이터에 접근할 때 일부 데이터가 다른 데이터와 자주 함께 사용된다는 원리를 의미한다.

이러한 원리를 기반으로 캐시는 최근에 액세스된 데이터를 저장하고, CPU가 동일한 데이터에 연속적으로 액세스할 때 빠르게 제공한다.

캐시는 메모리 액세스의 지역성을 활용하여 빈번하게 액세스되는 데이터를 미리 저장하여 CPU의 대기 시간을 줄이고 성능을 향상시킨다.

캐시는 일반적으로 세 가지 유형으로 분류된다.

1. 명령어 캐시(Instruction Cache): 프로세서가 명령어를 실행할 때 필요한 명령어를 저장한다.
2. 데이터 캐시(Data Cache): 프로세서가 작업을 수행하는 동안 필요한 데이터를 저장한다.
3. 연관 캐시(Associative Cache): 명령어와 데이터를 모두 저장하는 캐시로, 명령어와 데이터를 동시에 처리할 수 있도록 돕는다.

캐시는 빠른 액세스 시간을 위해 CPU와 가까운 위치에 배치되며, 일반적으로 고속 SRAM(Synchronous Random-Access Memory)으로 구성된다.

SRAM은 속도가 빠르지만, 비용이 높고 용량이 작기 때문에 캐시의 크기는 제한적이다.

캐시는 프로세서의 성능 향상을 위해 중요한 역할을 담당하고 있으며, 적절한 캐시 구성과 관리는 프로세서의 성능을 크게 영향을 준다.

일반적으로 프로세서에는 캐시가 2~3개 존재

흔히 L1, L2, L3 레벨이라고 부르고 뒤로 갈수록 용량이 크지만 속도는 느림

L1, L2, L3 ⇒ 내부적 구조, 담당하는 것 +++

프로세서에 있는 여러 개의 누산기(accumulator, CPU에서 중간 산술 논리 장치 결과가 저장되는 레지스터)는 실행 속도를 높인다는 점에서 일종의 캐시

주 기억 장치는 디스크를 보완하는 캐시가 될 수 있고

메모리와 디스크는 네트워크에서 오는 데이터를 빠르게 꺼낼 수 있다는 점에서 둘 다 캐시가 된다.

⇒ 캐싱은 곧 다시 쓸 가능성이 있거나(시간적 지역성) 근처에 있는 뭔가를 사용할 가능성(공간적 지역성)이 있을 때 언제든지 활용할 수 있는 일반적인 개념

네트워크에서는 멀리 떨어져 있는 서버에서 오는 정보 흐름의 속도를 높이려고 캐시를 사용할 때가 많고 서버 자체에도 캐시가 있음

실제로 사용자가 가끔 캐시의 효과를 직접 볼 수 있다.

ex. 큰 프로그램을 실행한 후 디스크에서 로딩이 완료되고 사용할 준비를 마친 프로그램을 종료하고 재시작 했을 때 처음 실행할 때보다 빠른 것 ⇒ 메모리가 디스크에 대한 캐시로 사용되기 때문

캐시는 무한정 커질 수 없기 때문에 많이 쌓이면 오래된 데이터부터 삭제(사용자도 캐시를 삭제 가능)

워드나 엑셀 같은 프로그램에 있는 최근에 사용된 파일 목록도 일종의 캐싱

캐싱 https://aihtnyc-h.tistory.com/entry/%EC%BA%90%EC%8B%B1Caching

참고

[OS] 캐시 메모리(Cache Memory)란? 캐시의 지역성(Locality)이란?

프로세서의 속도는 중요한 요소이지만, 그것이 항상 더 좋은 성능을 의미하는 것은 아니다. 프로세서의 성능은 다른 여러 요소에도 의존한다. 예를 들어, 코어 수, 캐시 메모리 크기, 파워 관리 기능, 그리고 프로세서가 지원하는 특정 기능들이 모두 성능에 영향을 준다.

클럭 속도가 높은 프로세서는 단일 작업을 빠르게 처리하는 데 유리할 수 있지만, 멀티코어 프로세서는 여러 작업을 동시에 처리하는 데 더 효과적일 수 있다. 또한, 프로세서의 클럭 속도가 높아질수록 전력 소모량과 열이 증가하는 경향이 있으므로, 장시간 사용하거나 배터리 수명이 중요한 경우에는 낮은 클럭 속도의 프로세서가 더 이상적일 수 있다.

또한, 프로세서의 성능은 해당 컴퓨터의 다른 부품들과의 상호 작용에도 크게 의존한다. 예를 들어, 프로세서가 아주 빠른데 메모리가 충분하지 않으면, 시스템의 전체 성능은 메모리가 부족함으로 인해 제한될 수 있다.

따라서, 컴퓨터를 구매하거나 업그레이드할 때는, 단순히 프로세서의 속도에만 주목하는 것이 아니라, 여러 요소를 종합적으로 고려해야 한다. 또한, 컴퓨터의 용도를 고려하는 것이 중요하다. 예를 들어, 복잡한 그래픽 작업을 위한 컴퓨터와 기본적인 웹 브라우징 및 문서 작업을 위한 컴퓨터는 매우 다른 유형의 프로세서를 필요로 할 수 있다.

⇒ 요구사항에 따라 차이가 있음

책 내용 요약

프로세서의 성능을 결정하는 것은 그저 속도만이 아니다. 여러 요소가 프로세서 성능에 영향을 주는데, 그 중에는 코어 수, 캐시 메모리 크기, 파워 관리 기능, 그리고 프로세서가 지원하는 특정 기능들이 있다. 클럭 속도가 높은 프로세서는 단일 작업을 빠르게 처리하는데 유리할 수 있지만, 멀티코어 프로세서는 여러 작업을 동시에 처리하는데 더 효과적일 수 있다. 그러나 클럭 속도가 높아질수록 전력 소모량과 열이 증가하는 경향이 있어, 장시간 사용하거나 배터리 수명이 중요한 경우에는 낮은 클럭 속도의 프로세서가 더 이상적일 수 있다.

프로세서의 성능은 해당 컴퓨터의 다른 부품들과의 상호 작용에도 크게 의존한다. 예를 들어, 프로세서가 아주 빠른데 메모리가 충분하지 않으면, 시스템의 전체 성능은 메모리가 부족함으로 인해 제한될 수 있다. 따라서, 컴퓨터를 구매하거나 업그레이드할 때는, 단순히 프로세서의 속도에만 주목하는 것이 아니라, 여러 요소를 종합적으로 고려해야 한다. 또한, 컴퓨터의 용도를 고려하는 것이 중요하다. 예를 들어, 복잡한 그래픽 작업을 위한 컴퓨터와 기본적인 웹 브라우징 및 문서 작업을 위한 컴퓨터는 매우 다른 유형의 프로세서를 필요로 할 수 있다.

프로세서는 계속해서 인출, 해석, 실행 사이클을 반복한다. 이 과정에서 메모리에서 처리할 명령어를 가져오고, 이 명령어를 해석한 후 실행한다. 실제 프로세서의 인출, 해석, 실행 사이클에는 전체 과정이 빠르게 돌아가게 하는 정교한 메커니즘을 사용한다.

컴퓨터 아키텍처는 프로세서 설계와 더불어 프로세서와 컴퓨터 나머지 부분 간의 연결 방식 설계를 다루는 분야이다. 이 분야는 산술 장치의 내부 자원 운영과 기계의 단순성 또는 저비용 간의 절충을 다루며, 캐시라는 고속 메모리를 몇 개 사용한다.

“일반적으로 산술 장치의 내부 자원 운영은 빠른 연산 속도에 대한 욕구와 (중략) 기계의 단순성 또는 저비용에 대한 욕구 사이의 절충으로 결정된다”
- 폰 노이만

컴퓨터 설계자들은 프로세서가 더 빨리 작동하도록 만들기 위해 여러가지 아키텍처 기법을 동원한다. 그 중 하나는 인출과 실행 단계가 겹치도록 프로세서를 설계해서 명령어 여러 개가 다양한 단계에 걸쳐 진행되도록 만드는 파이프라이닝이다. 또 다른 기법은 명령어들이 서로 간섭하거나 의존하지 않는다면 다수의 명령어를 병렬적으로 실행하는 것이다.

CPU = 컴퓨터의 두뇌

프로세서는?

중앙 처리 장치(CPU)는 명령어를 해석하는 컴퓨터의 한 부분이다.

제어장치, 연산장치, 레지스터, 데이터 버스로 구성된 디지털 시스템의 핵심 부분으로, 프로그램을 기억 장치로부터 읽어 연산 처리, 비교처리, 데이터 전송, 편집, 변환, 테스트와 분기 등의 데이터를 처리하고, 각종 장치를 구동하는 역할을 담당한다.

CPU는 기본적으로 모든 계산과 프로세싱을 수행하는데 사용되며, 이는 컴퓨터가 운영체제, 어플리케이션 등을 실행하는데 필요한 다양한 명령어를 해석하고 실행하는 역할

주로 컴퓨터가 소프트웨어와 하드웨어에서 받은 지시사항을 수행하며, 모든 계산과 데이터 처리를 담당

ex) 그래픽 프로세서 유닛(GPU)은 3D 그래픽 렌더링 같은 특정 작업에 특화

프로세서의 성능은 클럭 속도, 코어 수, 캐시 크기, 명령어 세트, 및 기타 요소에 의해 결정된다. 클럭 속도는 프로세서가 초당 얼마나 많은 명령을 처리할 수 있는지를 나타내며, 일반적으로 헤르츠(Hz) 단위로 측정된다. 코어 수는 프로세서가 동시에 수행할 수 있는 작업의 수를 결정한다. 캐시는 프로세서가 빠르게 접근할 수 있는 작은 메모리 영역으로, 프로세서 성능 향상에 중요한 역할

마이크로프로세서(micro-processor)

1개의 조그마한 IC 칩 속에 CPU의 모든 내용을 내장한 칩을 말한다. 이와 같이 CPU의 모든 내용이 하나의 칩 속에 내장됨으로써 가격이 훨씬 싸고, 부피가 줄어든다는 장점이 있다.

마이크로프로세서는 가격이 저렴하고 크기가 작아 이전에는 경제성이 없던 구조를 설계 할 수 있도록 해 주었고, 컴퓨터 설계 기법에 변혁을 가져왔다.

마이크로프로세서는 범용 컴퓨터의 CPU나 특수용 컴퓨터의 프로세서로뿐만 아니라, 교통 신호 제어, 개인 가정용 컴퓨터, 계측 제어기기, 사업용 업무 처리 등 다양한 방면에 응용되고 있다.

프로세서에는 수행할 수 있는 기본 연산들의 레퍼토리

1. 산술 연산: 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈과 같은 기본적인 산술 연산을 수행 고급 프로세서는 부동 소수점 연산이나 복소수 연산도 지원할 수 있다.
2. 논리 연산: AND, OR, NOT, XOR과 같은 논리 연산을 수행 비트 수준에서 동작하며, 프로그램의 조건부 실행이나 데이터의 특정 부분을 조작하는 데 사용된다.
3. 비교 연산: 두 값의 대소 비교를 수행 일반적으로 이 연산의 결과는 조건부 분기 명령어에서 사용되어 프로그램의 실행 흐름을 제어한다.
4. 비트 연산: 비트 이동(shift), 회전(rotate), 그리고 비트의 설정이나 제거 등, 비트 수준에서 작동하는 연산을 수행
5. 데이터 전송: 메모리와 프로세서 간에 데이터를 이동시키는 연산 LOAD와 STORE 명령어가 포함된다.
6. 제어 흐름: 프로그램의 실행 흐름을 제어하는 연산 분기(jump), 조건부 분기(branch), 서브루틴 호출(call), 반환(return) 등이 포함됩니다.

프로세서와 계산기 모두 내부적으로 메모리를 사용하여 데이터를 저장하고 접근한다. 두 경우 모두, 메모리는 중간 결과를 저장하거나, 다음 연산에서 사용할 데이터를 저장하는 데 사용된다.

프로세서의 경우, 이 메모리는 주로 레지스터라는 형태로 존재한다. 레지스터는 CPU 내부에 위치하며 매우 빠른 접근 속도를 가지고 있다. 또한, 프로세서는 주 기억장치(예: RAM)로부터 데이터를 불러오거나, 결과를 주 기억장치로 다시 저장하는 등의 작업을 수행한다. "LOAD"와 "STORE" 연산을 통해 이루어진다.

계산기의 경우, 메모리는 보통 계산 결과를 저장하거나 재사용하기 위해 사용된다. 계산기에는 주로 단일 메모리 슬롯이 있지만, 고급 계산기는 여러 메모리 슬롯을 가질 수 있다. 이 메모리 슬롯은 특정 키를 눌러서 접근하고, 값을 저장하거나 불러올 수 있다.

따라서, 프로세서와 계산기 모두 데이터를 메모리에 저장하고 불러오는 데 메모리를 사용하지만, 그 용도와 구현 방식에서 차이가 있다.

프로세서는 컴퓨터의 나머지 부분을 제어한다.

버스로 전송되는 신호를 통해 마우스, 키보드, 디스플레이, 기타 전기적으로 연결된 모든 장치에 대한 입력과 출력을 조직화하고 조정한다.

입출력(I/O) 컨트롤러, 메모리 관리 장치, 그래픽 처리 장치 등 다양한 하드웨어와의 협업을 필요로 한다. 이들 각각의 장치는 컴퓨터 시스템의 서로 다른 부분을 담당하며, 프로세서는 이들 모든 부분을 조율한다.

예를 들어, 사용자가 키보드를 통해 입력을 하면, 해당 신호는 입력 장치에서 시스템 버스를 통해 프로세서로 전달된다. 프로세서는 이 입력을 처리하고, 필요에 따라 메모리에 저장하거나 다른 하드웨어 장치에 전달한다.

또한, 프로세서는 표시 장치로 데이터를 전송하여 사용자에게 결과를 보여준다. 이는 표시 장치에 대한 출력을 조직화하고 조정하는 과정을 포함된다.

따라서 프로세서는 마우스, 키보드, 디스플레이 등과 같은 다양한 입력/출력 장치와 상호 작용하며, 컴퓨터 시스템의 전반적인 작동을 제어한다.

프로세서가 단순하긴 해도 결정을 내릴 수 있다는것

수나 다른 종류의 데이터에 대해 ‘이 수가 저 수보다 큰지’, ‘이 정보가 저 정보와 동일한지’ 등 비교를 수행할 수 있고, 다음에 무슨 일을 할지 결정할 수 있다.

프로세서는 '비교'와 '분기'라는 두 가지 중요한 작업을 수행할 수 있다.

1. 비교: 프로세서는 데이터를 비교할 수 있는 기능을 갖추고 있다. 주로 ALU(Arithmetic Logic Unit)에서 수행되며, 두 수가 같은지, 다른지, 하나가 다른 하나보다 큰지 또는 작은지를 결정할 수 있다. 비교 작업은 산술 연산, 논리 연산, 비트 연산 등의 일부이다.
2. 분기: 비교 결과에 따라 프로세서는 다음에 수행될 명령을 결정합니다. 이를 '분기'라고 하며, 이는 프로그램의 제어 흐름을 변경하는 역할을 한다. 예를 들어, 'if' 문이나 'switch' 문과 같은 제어 구조는 프로세서의 이러한 분기 기능에 의존한다.

따라서, 비록 프로세서의 개별 연산들이 단순하긴 하지만, 이들을 조합하고 연속적으로 수행함으로써 복잡한 작업을 수행하고, 필요한 경우 제어 흐름을 변경할 수 있습니다. 이는 컴퓨터가 다양한 문제를 해결할 수 있게 만드는 핵심적인 요소입니다.

프로세서는 현재 처리 중인 데이터를 기반으로 다음에 무슨 일을 할지 결정할 수 있으므로 스스로 전체 시스템을 운영할 수 있다.

프로세서는 프로그램 카운터, 조건 코드 등의 상태 정보를 사용하여 현재 처리 중인 작업에 따라 다음에 수행할 작업을 결정한다. 이는 프로세서가 명령어들을 일련의 단계로 분할하고 이들을 적절한 순서로 처리하며, 필요에 따라 작업을 변경할 수 있게 한다.

특히, 프로세서는 분기명령이나 인터럽트와 같은 메커니즘을 통해 제어 흐름을 변경할 수 있다. 이는 프로세서가 다양한 상황에 대응하고, 필요에 따라 작업을 조정하거나 우선순위를 변경할 수 있게 한다. 예를 들어, 사용자의 입력을 처리하거나, 새로운 데이터를 메모리에 로드하거나, I/O 장치와의 통신을 수행하거나, 오류 상황을 처리하는 등의 작업을 수행할 수 있다.

따라서, 프로세서는 현재 처리 중인 작업과 전체 시스템 상태를 기반으로 다음에 무슨 일을 할지 결정하고, 이를 통해 전체 시스템을 자율적으로 운영할 수 있다. 이러한 기능은 프로세서를 컴퓨터 시스템의 '중앙 처리 장치'로 만들며, 이를 통해 복잡하고 다양한 작업을 처리할 수 있다.

기본 연산은 가짓수가 많거나 복잡하지 않지만, 프로세서는 초당 수십억번의 연산을 수행할 수 있어서 고도로 정교한 계산이 가능하다.

프로세서의 기본 연산들은 그 자체로는 단순할 수 있지만, 그들이 수백만, 심지어는 수십억 번도 넘는 속도로 수행될 수 있기 때문에, 그 결과로 나타나는 동작은 매우 복잡하고 정교할 수 있다.

이렇게 높은 연산 속도는 각각의 작은 연산들이 어떻게 조합되느냐에 따라 복잡한 프로그램이나 고성능의 애플리케이션을 구현하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 그래픽 처리, 머신러닝, 복잡한 수학적 연산 등은 수많은 간단한 연산들이 초당 수십억 번도 넘게 일어나기 때문에 가능해진다.

또한, 이 높은 연산 속도는 프로세서가 다양한 요청에 신속하게 대응할 수 있게 해주므로, 사용자는 컴퓨터가 실시간으로 반응하는 것처럼 느낄 수 있다. 이는 컴퓨터가 우리의 일상생활에서 다양한 업무를 수행하는 데 필수적인 요소가 된다.

프로세서와 계산기의 차이점

1. 연산 능력: 계산기는 기본적인 산술 연산(덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈)을 수행하는 반면, 프로세서는 이런 기본적인 산술 연산 외에도 논리 연산, 비트 연산, 제어 흐름 등 복잡한 연산을 수행할 수 있다.
2. 복잡한 명령어 집합: 프로세서는 복잡한 명령어 집합(CPU instruction set)을 가지고 있어서, 다양한 프로그램을 실행할 수 있다. 반면에 계산기는 매우 제한된 명령어 집합을 가지고 있다.
3. 멀티태스킹: 프로세서는 여러 프로그램이나 작업을 동시에 수행하는 멀티태스킹을 지원한다. 그러나 계산기는 한 번에 한 가지 작업만 수행할 수 있다.
4. 입출력 장치와의 통신: 프로세서는 마우스, 키보드, 디스플레이 등 다양한 입력/출력 장치와 통신할 수 있다. 반면에 계산기는 제한된 입출력 기능만을 가지고 있다.