[컴퓨터 구조] 병렬처리 & 파이프라인

👉 병렬 처리

병렬 처리는 동시에 여러 개의 명령을 처리하여 작업의 능률을 올리는 방식을 말한다.

👉 병렬처리 종류

- SISD(Single Instruction Single Datastream) : 명령어 1개 데이터 1개

• 제어장치와 프로세서를 각각 하나씩 갖는 구조
• 한 번에 한 개씩의 명령어와 데이터를 처리하는 단일 프로세서 시스템
• 명령어가 순서대로 실행되지만 실행 과정은 여러 개의 단계들로 나누어 중첩시켜 실행 속도를 높이도록 파이프라인으로 되어있는 것이 보통

- SIMD(Single Instruction Multiple Datastream)

• 배열 프로세서와 파이프라인이 이 분류에 속함
• 여러 개의 프로세서들로 구성되고, 프로세서들의 동작은 모두 하나의 제어장치에 의해 제어
• 모든 프로세서들은 제어장치로부터 동일한 명령어를 받지만 명령어 실행 과정에서 서로다른 데이터들을 사용

- MISD(Multiple Instruction Single Datastream)

• 여러 개의 제어장치와 프로세서를 갖는 구조
• 각 프로세서들은 서로 다른 명령어들을 실행하지만 처리하는 데이터는 하나의 스트림
• MISD는 실제로는 사용되지 않는 구조

- MIMD(Multiple Instruction Multiple DataStream)

• 대부분의 다중 프로세서 시스템과 다중 컴퓨터 시스템이 이 분류에 속함
• 여러 개의 프로세서들이 서로 다른 명령어와 데이터를 처리

 

대부분 SIMD 거나 MIMD

 

👉 CPU에서 명령어 실행되는 과정

CPU 내에서 명령어는 제어장치가 처리한다. 제어장치는 명령어를 가져와 해석 후 실행하고 결과를 저장하는 과정을 계속 반복한다. 이러한 사이클을 스레드라고 한다.

 

IF -> ID -> EX -> WB 순으로 실행되며 이 과정 전체를 하나의 스레드라고 한다.

• IF(Instruction Fetch) : 다음에 실행할 명령어를 레지스터에 저장
• ID(Instruction Decode) : 명령어를 해석
• EX(Execution) : 해석한 결과로 명령어를 실행
• WB(Write Back) : 실행결과를 메모리에 저장
•  

👉 병렬처리 기법  1) 파이프라인 기법

• CPU의 사용을 극대화하기 위해 명령을 겹쳐서 실행하는 방법으로, 하나의 CPU 코어에 여러 개의 스레드를 사용하는 것이다.
• 일반적으로는 한 명령어를 처리하기 위해서는 처리 4단계를 모두 마치고 다음 명령어를 실행하지만, 파이프라인 기법에서는 명령어 처리 단계마다 독립적 구성을 통해 각 단계가 쉬지 않고 명령어를 처리한다.

 

파이프라인 기법의 문제점

• 데이터 위험: 데이터 의존성으로 인해 발생되는 문제. A데이터를 의존하는 2번째 명령어는 앞의 명령어가 끝날 때까지 기다린 후에 실행되어야 한다.
  - 해결 방법: 파이프라인의 명령어 단계 지연
• 제어 위험: if문 혹은 goto문 등으로 분기가 발생할 때 현재 동시에 진행중이던 명령어들이 필요가 없어지면서 생기는 문제
  - 해결 방법: 분기 예측 혹은 지연 방법으로 해결
• 구조 위험: 서로 다른 명령어가 같은 자원에 접근하면서 프로그램이 비정상적으로 작동하거나 종료되는 문제               이해를 돕자면 세탁과정과 탈수과정을 파이프라이닝을 통해 동시에 수행하는데 같은 세탁기가 필요하기 때문에 해저드가 발생할 수 있다.
  - 해결 방법: 해결하기 까다로움

👉 병렬처리 기법  1) 슈퍼스칼라 기법

• 파이프라인과 병렬 처리의 장점을 모은 것
• 여러 개의 파이프라인에서 명령들이 병렬로 처리되도록 한 아키텍처로 대기 상태를 거치지 않고 동시에 실행될 수 있어 처리속도가 빠르다.
• 파이프라인과 비슷하지만 한 클록마다 명령어 한 개가 실행되는 것이 아닌 여러 개를 처리한다는 점에서 차이가 있다.

슈퍼스칼라 기법 (CPU 코어 2개)

👉 예상 면접 질문

• CPU에서 명령어를 실행하는 방식을 설명
• 병렬처리의 기법인 파이프라인과 슈퍼스칼라의 특징 설명