공부용

branch Instructions

• 일반적으로는 순차적인 명령 수행을 위해, RV32I에서는 각 명령 후에 PC가 명령어의 크기만큼(4byte)씩 증가함
• branch 명령어는 PC가 코드의 섹션을 건너뛰거나 이전 코드를 반복할 수 있도록 함
  • Conditional branch
    • beq (branch if equal) : if (a == b)
    • bne (branch if not equal) : if (a != b)
    • blt (branch if less than) : if (a < b)
    • bge (branch if greater than or equal) : if (a >= b) (단, a, b is signed)
    • bltu (branch if less than for unsigned) : if (a < b) (단, a, b is unsigned)
    • bgeu (branch if greater than or equal for unsigned) : if (a >= b)
  • Unconditional branch (ex. jump)
    • jal (jump and link)
    • jalr (jump and link register)

beq, bne, blt, bge, bltu, bgeu

slt, sltu, slti, sltiu

jal

Procedure (Function)

• 프로그래머들은 프로그램을 짜기 위해 프로시저(또는 함수)를 사용함
• 파라미터(인자)는 프로시저와 프로그램의 나머지 부분간의 인터페이스 역할을 함

jal - ret pair

jalr (jump and link register)

CPU가 메모리에 접근하는 이유

1. Instruction Access (Read)
   • 모든 CPU에는 실행중인 현재 명령어의 위치(주소)를 추적하는 특수 레지스터가 있음
   • 많은 CPU들이 Program Counter(PC)라는 동일한 용어를 사용함
     • X86는 예외, Instruction Pointer(IP)라는 용어 사용
     • RISC-V 또한 CPU 내부에 PC라고 하는 32bit의 특수 레지스터를 갖고있음 (Flip-Flop으로 구현)
   • 전원킬 때, 리셋시에 PC는 미리 정의된 주소로 초기화됨
   • PC가 미리 정의된 주소로부터 첫 번째 명령어를 읽어서 실행한 후엔 자동으로 inclement 됨 (자동으로 일정한 값만큼 증가, RISC-V는 4씩 증가, 각 명령어의 크기가 4byte이기 때문)
   • 각 명령어가 실행될 때(혹은 그 후에) PC가 업데이트됨
2. Data Read/Write
   • 모든 것(코드 및 데이터)은 메인 메모리에 저장됨
   • CPU 내부의 레지스터는 제한된 용량을 가짐
     • CPU내부의 레지스터가 수용할 수 있는 것보다 훨씬 많은 데이터가 프로그램에 들어있음
     • RV32I의 경우 CPU 내부에는 32개의 범용 레지스터가 있음
     • 따라서 CPU는 적은 양의 데이터만을 레지스터에 즉시 저장 가능함
   • 따라서 RISC-V(및 다른 모든 CPU)는 메모리와 레지스터 간에 데이터늘 전송하는 명령을 제공해야 함
     • 이러한 명령어들을 memory access instruction이라 함
     • 메모리에 있는 데이터에 접근하기 위해서는, 데이터 전송 명령어가 메모리 주소를 제공해야 함

Word

• 메모리와 레지스터의 크기를 word로 match
• word는 특정 컴퓨터 설계에 사용되는 데이터의 natural unit을 나타내는 용어
• data path의 크기
  • word는 단순하게 함께 처리되는 고정된 크기의 bit 그룹
  • word안에 bit의 수는 컴퓨터 구조의 중요한 특징
  • word의 크기는 컴퓨터 구조와 작동의 여러 측면에 반영됨
  • 컴퓨터에 있는 대부분의 레지스터는 보통 word 크기를 가짐
• 현대 컴퓨터의 word 크기는 보통 32 또는 64bits
  • RV32I의 word 크기는 32bits(=4 Bytes)
  • x86의 경우, 컴퓨터가 64-bit CPU 기반임에도 불구하고 과거 호환성 이유로 인해 여전히 word 크기가 16bit임
  • Alignment restriction
    • word의 메모리 주소는 자연 word 경계(RV32I에서는 4의 배수)에 있어야 함

lw (load word)

sw (store word)

Byte, Half-word Load/Store

• 대부분의 아키텍처는 메모리의 개별 byte(4bit) 또는 half-word(16bit) 주소를 지정하고 액세스할 수 있는 기능을 제공함
  • lb(load byte), lh(load half-word), lbu(load byte unsigned, 기본적으로 u가 없으면 signed임), lhu(load half-word unsigned), sb(store byte), sh(store half-word)
• byte 주소를 지정할 수 있는 명령어
  • lb(load byte), lbu(load byte unsigned), sb(store byte)

lb

sb

Endianness

• Big-endian machines
  • IBM 360/370, Motorola 68k, Sparc, HP PA
• Little-endian machines
  • x86, DEC Vax, DEX Alpha, RISC-V
• Endianness의 종류는 임의로 선택하는 것이지만 big-endian과 little-endian 컴퓨터 간에 데이터를 공유할 때에 번거로움이 발생할 수 있음

lui, auipc

auipc 사용 이유

Pseudo Instructions

• RISC-V는 실제론 명령어 집합의 일부가 아니지만 프로그매어와 컴파일러 및 어셈블러에 의해 일반적으로 사용되는 유사 명령어를 정의함
• 즉, 프로그래밍 편의를 위해 수도 명령어 제공함

CISC vs. RISC

• CISC (Complex Instruction Set Computer)
  • 하나의 instruction으로 여러가지(복잡한) 작업 수행
  • 가변 길이 instruction
  • 장점: program size 작음
  • 단점: cpu complexity 높음
  • ex) x86(Intel, AMD), Motorola 68k
• RISC (Reduced Instruction Set Computer)
  • 각각의 instruction이 작은(단위의) 작업 수행
  • 고정 길이 instruction
  • 장점: cpu complexity  낮음
  • 단점: program size 큼
  • ex) RISC-V, Arm, MIPS

Instruction 종류

• Data processing instructions (데이터처리 명령어)
  • Arithmetic and Logical (Integer)
  • 산술연산, 논리연산 등을 하기 위한 명령어
• Memory access instructions (메모리접근 명령어)
  • Load/Store
  • cpu가 데이터를 메모리에서 레지스터로 가져오는 명령어, 레지스터 값을 메모리에 쓰기위한 명령어
  • 레지스터: 연산 전 잠깐 cpu에 가져오는 곳
• Branch instructions (분기 명령어)
  • if, for, while 같은 조건문, 반복문이나 함수호출을 위한 명령어

Memory Hierarchy 

CPU 동작 방식

• add x5, x6, x7                      # x5 = x6 + x7
  • x6과 x7은 피연산자, x5는 목적지
  • 산술 명령어의 피연산자는 cpu 내부의 register라고 불리는 특별한 위치로부터 옴
• add x5, x6, 5                      # x5 = x6 + 5
  • 여기서 5는 immediate이며 숫자 5를 가리킴
  • 산술 명령어의 피연산자는 immediate field에서도 올 수 있음
• 모든 cpu(x86, Arm, RISC-V)는 내부에 레지스터를 가짐
• RISC-V는 32*32-bit 레지스터를 가지고 있음

RV32I Register File

• 레지스터는 FF(Flip-Flops)로 구현되고 실행됨
• cpu 내부의 구조적인 레지스터 집합(프로그래머가 볼 수 있는 / 알 수 있는)을 레지스터 파일이라고 부름
• 레지스터 파일은 ff(이 수업에서 다룸) 또는 SRAM(실제 산업에서 쓰임)으로 구현 가능
• RV32I 레지스터 파일은 32*32bit 레지스터를 가짐
  • 2 read ports
  • 1 write ports
• 레지스터 파일에 대한 access는 메인메모리 또는 캐시에 대한 access보다 훨씬 빠름
• 왜냐하면 레지스터의 수자 제한되어 있고, cpu 내에 있기 때문
• 따라서 컴파일러들은 high-level 코드를 어셈블리 코드로 변환할 때 레지스터 파일을 사용하려 함

RISC-V Register Convention

RISC-V Instruction Formats

• Arithmetic and Logical (Integer)
• Load/Store
• Jump and Branch

R-type Instruction

• opcode
  • 7-bit (128 종류 나타낼 수 있음)
  • operation(ex. and, or, xor, +, -, load, store 등) code
• funct7
  • 7-bit
  • opcode와 함께 명령어가 어떤 동작을 하는지 명시하는 부분
• funct3
  • 3-bit
  • opcode와 함께 명령어가 어떤 동작을 하는지 명시하는 부분
• rs1
  • 5-bit
  • register of the first sorce operand
• rs2
  • 5-bit
  • register of the second sorce operand
• rd
  • 5-bit
  • register of the destination operand
  • 레지스터의 개수가 32개이므로 32개 중 1개를 명시하려면 최소한 5-bit(2^5 = 32) 필요 

add

sub

I-type Instruction

• R-type 명령어는 레지스터에 3개의 피연산자를 모두 갖고있음
• I-type 명령어에서는 하나의 피연산자를 명령어 자체에 저장할 수 있음 => immediate(즉치값)
• Immediate
  • 레지스터나 메모리 접근이 필요x
  • 12-bit의 immediate 필드는 2의 보수법을 사용하므로 -2^11 ~ 2^11-1로 값이 제한되어있음
• R-type과 비교했을 때 funct7과 rs2가 없음

2's Complement Number

• 2의 보수법은 부호가 있거나 없는 숫자의 덧셈과 뺄셈을 하는 편리하고 간단한 방법을 제공 
• 2의 보수를 얻는 빠른 방법은 모든 bit를 뒤집고 1을 더하면 됨

addi

Logical Instructions

• and, or, xor, andi, ori, xori
• 논리 명령어는 2개의 source 피연산자를 bit 별로 연산하고 그 결과를 목적 레지스터에 기록함

R-type Instruction (and, or, xor)

I-type Instruction (andi, ori, xori)

Sign Extension

• I-type 에서 immediate는 12bit임
• 하지만 source 레지스터의 크기는 32bit임 
• 따라서 12bit인 immediate를 32bit로 늘려줘야함
• 이를 Extension이라함 
  • Zero-extension
    • 나머지 20bit를 전부 0으로 채움
    • (음수일 때) 숫자가 바뀜
  • Sign-extension
    • 12bit의 가장 앞 bit를 MSB(Most significant Bit)라 함
    • 이 MSB를 20bit에 전부 채워넣음
    • 숫자 바뀌지 않음
• 일반적인 CPU에서 
  • arithmetic inst => SE 사용
  • logical inst => ZE 사용
• RISC-V에서는 둘다 SE 사용 (ZE 사용하는 것이 큰 이점이 X)

Shifting

Shift Instructions

• sll : shift-left logical
• srl: shift-right logical
• sra: shift-right arithmetic (sla는 없음, sll이랑 똑같음)
• slli: shift-left loghical immediate
• srli
• srai

컴퓨터의 성능을 측정하는 방법

• Response time (응답 시간)
  • Execution time + Latency (실행시간 + 대기시간)
  • 작업이 시작되어서 완료까지 걸리는 시간
  • 개별 사용자에게 중요
  • 임베디드 컴퓨터 혹은 pc가 응답시간에 더 집중하는 편
• Throughput (처리량)
  • 주어진 시간에 수행된 총 작업 개수
  • 데이터 센터 및 슈퍼 컴퓨터 관리자에게 중요
  • 서버는 throughput에 더 집중하는 편

• 문제

• 1) Sequential Laundry에서 Response time과 Throuput은?

• 2) Pipelined Laundry에서 Response time과 Throuput은?

• Pipelining
  • 파이프라인은 단일 작업의 응답시간에는 도움이 되지 않음
  • 파이프라인은 전체 workload의 처리량에 도움이 됨
  • 동시에 여러 작업을 처리
  • 파이프라인의 각 단계의 길이가 일정하지 않다면 속도향상이 저하될 수 있음
  • Potential speedup = # of pipeline stages

Abstraction (추상화)

• 추상화는 복잡성을 해결하는 데에 도움이 됨
  • 저수준의 세부사항을 숨겨줌
• Instruction set architecture (ISA)
  • 하드웨어와 저수준 소프트웨어간의 추상화 인터페이스

Abstractions in Computer

Hardware/Software Stack in Computer

• Application software
  • Written in high-level language
• System software
  • Compilers (컴파일러)
    • high-level언어로 쓰여진 코드를 기계어로 변환해줌
  • Operating Systems (운영체제)
    • user에게 매우 유용
    • 입출력 처리, 메모리 및 스토리지 관리, 작업관리 및 리소스 공유 등
  • BIOS (Basic Input/Output System)
    • very low-level software
    • 컴퓨터를 키면 해당 컴퓨터를 스캐닝 (ex. 마우스 있는지 등등)
• ISA
  • 하드웨어와 low-level 소프트웨어 사이의 인터페이스
  • 하드웨어가 매우 복잡하기 때문에 추상화 계층이 존재함
• Hardware
  • Processor, memory, I/O controllers

Instructions (명령어)

• CPU마다 명령어 집합이 다름
• X86, ARM, RISC-V 는 자기 자신만의 명령어 집합을 가짐
• 하지만 많은 공통점을 가짐
• 이번에는 RISC-V instruction sets를 배울거임

Levels of Program Code

• High-level language
  • 문제 영역에 가까운 추상화 수준
  • 생산성 및 휴대성 제공
• Assembly language
  • 명령어들의 텍스트 및 기호 표현
• Machine code (object code or binary)
  • 명령어와 데이터의 이진수 bits

High-Level code is Portable

Levels of Program Code

High-level Code to Executable (Binary)

• 리눅스에서 hello.c를 실행하는 방법 예시

• High-level 언어를 기계어로 변환하기 위한 단계
  • Preprocessing
    • 포함된 매크로와 헤더파일을 expand하는데에 사용
    • 예시) cpp simple_sub.c > simple_sub.i 
    • cpp: C preprocessor
  • Compilation
    • 특정 cpu에서의 어셈블리 언어로 preprcess된 코드를 실제 컴파일
    • 예시) gcc -S simple_sub.i
    • 결과값은 simple_sub.s에 저장됨
  • Assembler
    • 어셈블리 언어를 기계어로 변환하고 실행파일(object file) 생성
    • 예시) as simple_sub.s -o simple_sub.o
    • as: Assembler
  • Linker
    • 마지막 단계
    • object file을 연결하여 executable 생성
    • 실제로 실행파일에는 시스템과 c 라이브러리의 많은 외부기능이 필요
    • 따라서, gcc가 내부적으로 사용하는 실제 링크 명령은 복잡함
    • 예시)  

• 실행파일 실행방법
  • 예시) ./simple_sub
  • 리눅스 커널은 프로그램을 메모리에 loads

Stored Program Concept (저장된 프로그램의 개념)

• Instruction과 data는 이진법으로 표기됨
• Instruction과 data는 memory에 저장됨
• cpu는 실행할 Instruction과 data를 가져옴
• 바이너리 호환성을 통해 컴파일된 프로그램은 동일한 ISA를 가진 다른 컴퓨터에서도 작동될 수 있음 (표준화된 ISA의 필요성)

Cross Compiler

• RISC-V와 x86는 다른 ISA를 가짐
• 그럼에도 불구하고 x86에서 RISC-V 기계 코드를 생성하는 방법은? Cross Compiler
• 컴파일러가 실행되는 플랫폼이 아닌 다른 플랫폼에서 실행가능한 코드를 만들 수 있는 컴파일러
• 다른 cpu의 machine code 생성 가능

Main Memory and Storage

• Main Memory (메인 메모리)
  • Volatile (휘발성)
  • 전원을 끄면 instructions와 data 소실
• Secondary storage (보조 스토리지)
  • Non-volatile (비휘발성)
  • 하드디스크
  • SSD, Flash memory
  • Optical disk

CPU(프로세서)의 종류

• x86
  • PC에 사용
  • intel, AMD, Via의 프로세서를 가리키는 총칭
• POWER, PowerPC
  • 슈퍼컴퓨터에서 사용
  • 예전에는 mac에서 사용되었지만 지금은 intel로 교체됨
  • 예전 모토로라
• Sparc
  • 요새 잘 사용 안함
• Arm
  • 최근 mac에서 사용, 아이폰, 갤럭시 등등에서도 사용
• RISC-V
  • 임베디드 및 고성능 컴퓨팅 분야에서 많이 사용될 것
  • 컴퓨터 구조 공부할 때 배울 CPU

N-bit CPU의 의미

• basic unit of data processor
  • 16bit, 32bit, 64bit
• ALU의 input, output이 몇 bit인지를 결정함 (즉,  몇 bit를 다룰 것인가)