[혼공컴운] Chapter 05-2 명령어 병렬 처리 기법

명령어 병렬 처리 기법 (ILP : Instruction - Level Parallelism)

: 명령어를 동시에 처리하여 CPU를 한시도 쉬지 않고 작동시키는 방법

 

ILP 의 종류 

1. 명령어 파이프라이닝

2. 슈퍼스칼라

3. 비 순차적 명령어 처리 

---

명령어 파이프라인 

[ 명령어 처리 과정 ] 

1. Instruction Fetch (명령어 인출) 

2. Instruction Decode (명령어 해석)

3. Execute Instruction (명령어 실행)

4. Write Back (결과 저장)

 [중요] 
: 같은 단계가 겹치지 않는다면 CPU는 각 단계를 동시에 실행할 수 있다.
즉, CPU는 한 명령어를 '인출' 하는 동안 다른 명령어를 '실행' 할 수 있고, 
'실행' 하는 동안 연산결과를 '저장' 할 수 있다. 

즉, 공장 생산 라인과 같이 명령어들을 명령어 파이프라인에 넣고 동시에 처리하는 기법을 "명령어 파이프라이닝" 이라고 한다 

(= 동시에 여러개의 명령어를 겹쳐 실행하는 기법)

명령어 파이프라이닝

따라서 명령어 파이프라이닝은 성능 향상의 결과를 가져온다. 

하지만, 항상 성능향상의 결과를 가져오는 것은 아니다. 

---

파이프라인 위험

:특정 상황에서 성능 향상에 실패하는 경우 

 

1. 데이터 위험 

2. 제어 위험

3. 구조적 위험

데이터 위험

: 명령어 간 '데이터 의존성' 에 의해 발생

즉, 어떤 명령어는 이전 명령어를 끝까지 실행해야 만 실행 가능한 명령어가 있다. 

ex) 
명령어 1 : R1 <- R2 + R3 // R2 + R3 값을 R1에 저장
명령어 2 : R4 <- R1 + R5 // R1 + R5 값을 R4에 저장

즉, R4의 값을 알기 위해서는 R1, 명령어 1을 모두 처리 한 후 계산해주어야 한다. 

제어 위험

: 분기 등으로 인한 '프로그램 카운터의 갑작스러운 변화'에 의해 발생한다. 

"프로그램 카운터" 는 현재 실행 중인 명령어의 다음 주소를 불러오는 것이다. 

 

하지만, 프로그램 실행 흐름이 바뀌어 명령어가 실행되며 프로그램 카운터에 변화가 생기게 되면 미리 가져와 처리중이던 명령어가 쓸모 없어질 것이다.

 

따라서 이를 해결하기 위해 분기 예측 이 필요하다.

구조적 위험 (=자원 위험)

: 명령어들을 겹쳐 실행하는 과정에서 서로 다른 명령어가 동시에 ALU, 레지스터 등과 같은 CPU부품을 사용하려고 할 때 구조적(자원) 위험이 발생할 수 있다.

---

슈퍼스칼라 

= 여러 개의 파이프라인 (즉, 파이프라인의 집합)

슈퍼스칼라

슈퍼스칼라 프로세서 (=슈퍼스칼라 CPU)

슈퍼스칼라 프로세스는 슈퍼스칼라 구조로 명령어 처리가 가능한 CPU이다. 

매 클럭 주기마다 동시에 여러 명령어를 인출, 실행, 해석할 수 있어야 한다. 

• 이론적 : 슈퍼스칼라 프로세서를 사용하면 파이프라인 개수에 비례하여 프로그램 처리 속도가 빨라진다. 
• 실질적 : 슈퍼스칼라 프로세서를 사용하면 파이프라인 위험이 점점 많아지면서 다루기 까다로워진다. 

---

비순차적 명령어 처리(OoOE : Out-of order Execution)

= "합법적인 새치기" (<-> 순차적 명령어 처리 : 슈퍼스칼라, 명령어 파이프라인)

 

비순차적 명령어 처리를 사용하는 이유 

: 파이프라인 위험과 같은 예상치 못한 문제들로 인해 명령어는 곧바로 처리되지 못하는 경우가 있다. 

그렇다면, 예상치 못한 상황에서 명령어 파이프라인은 멈춰 버리게 된다. 

 

따라서, 비순차적 명령어 처리를 사용하여 순서를 바꿔 실행해도 무방한 명령어들을 먼저 실행하여 명령어 파이프라인이 멈추는 것을 방지하는 것이다.

---

CPU 판단 기준 

즉, CPU를 사용할 때, 좀 더 성능을 고려하여 선택해서 사용해야 한다. 

• 명령어들이 어떤 명령어와 데이터 의존성을 가지고 있는가?
• 순서를 바꿔 실행 할 수 있는 명령어에는 어떤 것들이 있는가? 

이 두가지 질문을 통해 더 나은 CPU를 선택해서 사용하는 것이 좋다