제어 장치

3. 제어 장치의 설계

마이크로프로그래밍 개념은 1951년 모리스 윌크스가 컴퓨터 프로그램 명령을 실행하기 위한 중간 수준으로 처음 소개했다. 마이크로프로그램은 여러 개의 마이크로 명령어로 구성되며, 특별한 제어 메모리에 저장된다. 이러한 마이크로프로그램 제어 장치의 작동 방식은 보통 순서도를 이용하여 설명한다.^[18] 마이크로프로그램 방식의 주요 장점은 구조가 단순하다는 점이다. 제어 장치의 출력 신호들이 마이크로 명령어 안에 정리되어 있어, 필요에 따라 쉽게 수정하거나 교체할 수 있다.^[19]

3. 1. 멀티사이클 제어 장치

• 인터럽트: 특정 종류의 입출력 장치가 올바르게 작동하기 위해 소프트웨어의 즉각적인 처리가 필요할 때 발생한다. 인터럽트의 발생 시점은 예측하기 어렵다는 특징이 있다.
• 예외: 컴퓨터가 명령어를 처리하는 과정 자체에서 문제가 발생했을 때 생긴다. 예를 들어, 메모리가 부족한 경우 예외가 발생할 수 있다. 일부 예외는 해당 예외를 발생시킨 명령어를 다시 시작해야 할 수도 있다는 점에서 인터럽트와 다르다.

3. 2. 파이프라인 제어 장치

• 분기 예측:
• 정적 예측: 간단한 제어 장치는 낮은 주소로의 역방향 분기를 루프(loop)로 간주하고 해당 경로의 명령어를 미리 파이프라인에 채운다.^[3] 컴파일러는 자주 실행될 것으로 예상되는 분기 방향을 예측하여, 해당 방향이 선호되도록 명령어를 생성할 수 있다. 일부 컴퓨터는 컴파일러가 제공하는 분기 방향 힌트를 명령어 자체에 인코딩하기도 한다.^[4]
• 동적 예측: 제어 장치는 최근 실행된 분기 명령어들의 주소와 실행 결과를 전자 목록 형태로 유지한다. 이 정보를 바탕으로 다음에 어떤 분기 경로가 실행될지 예측한다.^[3]
• 추측 실행: 여러 개의 파이프라인을 사용하여 분기의 양쪽 경로를 동시에 계산한 뒤, 실제 실행되지 않은 경로의 계산 결과를 폐기하는 방식이다.

3. 3. 순서 무관(Out of Order) 제어 장치

3. 4. 변환(Translating) 제어 장치

4. 저전력 제어 장치

많은 현대 컴퓨터는 전력 사용량을 최소화하는 제어 장치를 갖추고 있다. 이는 휴대폰과 같이 배터리로 작동하는 컴퓨터의 사용 시간을 늘리고, 전력 공급 장치가 있는 컴퓨터의 경우 전기 요금, 냉각 비용, 소음 등을 줄이는 데 도움이 된다.

대부분의 현대 컴퓨터는 CMOS 로직을 사용하는데, CMOS는 주로 두 가지 방식으로 전력을 소모한다. 하나는 로직의 상태가 바뀔 때 소모되는 활성 전력이고, 다른 하나는 의도치 않게 전류가 새어 나가는 누설 전류이다. 활성 전력은 제어 신호를 꺼서 줄일 수 있으며, 누설 전류는 전압을 낮추거나, 누설이 적은 특수 트랜지스터를 사용하거나, 로직 자체를 완전히 꺼서 줄일 수 있다.

활성 전력은 로직에 저장된 데이터에 영향을 주지 않으면서 줄일 수 있어 비교적 관리가 쉽다. 가장 일반적인 방법은 CPU의 클럭 속도를 낮추는 것이다. 대부분의 컴퓨터 시스템이 이 방법을 사용하며, 클럭 속도 변경 시 발생할 수 있는 부작용을 피하기 위해 CPU가 잠시 작동을 멈추는 것이 일반적이다. 또한, 많은 컴퓨터에는 "정지(halt)" 명령어가 있다. 원래 이 명령어는 인터럽트가 없는 코드 실행을 멈춰 인터럽트 처리 코드의 정확한 타이밍을 보장하기 위해 만들어졌지만, CPU의 클럭을 완전히 꺼서 활성 전력을 0으로 만드는 데 유용하다는 것이 밝혀졌다. 이 상태에서도 인터럽트 컨트롤러는 계속 클럭이 필요할 수 있지만, 일반적으로 CPU보다 훨씬 적은 전력을 사용한다.

이러한 기본적인 방법들이 널리 사용되면서 상업적 이점을 얻기 위해 다른 방법들도 개발되었다. 많은 최신 저전력 CMOS CPU는 실행하는 명령어에 따라 필요한 실행 유닛이나 버스 인터페이스만 선택적으로 켜고 끈다. 일부 컴퓨터^[9]는 각 명령어가 정확히 필요한 로직 부분만 사용하도록 마이크로아키텍처를 설계하기도 한다.

또 다른 일반적인 방법은 작업을 여러 CPU에 분산시키고, 작업량이 줄어들면 사용하지 않는 CPU를 끄는 것이다. 이때 운영체제는 해당 CPU의 데이터를 메모리에 저장한다. 경우에 따라^[10], 여러 CPU 중 하나를 더 단순하고 작은 CPU(로직 게이트 수가 적음)로 만들어 누설 전류를 줄이기도 한다. 이 작은 CPU는 가장 마지막에 꺼지고 가장 먼저 켜지며, 특별한 저전력 기능을 담당하게 된다. PC에서도 유사한 방식이 사용되는데, 보통 전력 시스템 관리를 위한 보조 임베디드 CPU를 탑재한다. 다만 PC에서는 관련 소프트웨어가 운영체제가 아닌 BIOS에 있는 경우가 많다.

이론적으로 클럭 속도를 낮춘 컴퓨터는 공급 전압도 함께 낮춰 누설 전류를 줄일 수 있다. 하지만 전압 변경은 컴퓨터의 안정성에 영향을 줄 수 있어 기술적으로 구현 비용이 많이 들고, PC나 휴대폰과 같이 비교적 고가인 기기를 제외하고는 흔하게 사용되지 않는다.

누설 전류를 줄이기 위해 특수한 트랜지스터를 사용하는 설계도 있다. 트랜지스터 내부의 공핍 장벽을 더 크게 만들면 누설을 줄일 수 있지만, 트랜지스터 크기가 커져 속도가 느려지고 비용이 증가한다. 일부 제조사는 IC의 특정 부분에 아날로그 회로용 공정에서 제공되는 큰 트랜지스터를 사용하여 저누설 로직을 구현하기도 한다. 핀펫(FinFET) 구조처럼 실리콘 표면 위에 트랜지스터를 배치하는 공정도 있지만, 공정 단계가 늘어나 비용이 더 든다. 하프늄과 같은 특수 도핑 재료도 누설을 줄일 수 있지만, 역시 공정 단계가 추가되어 비용이 증가한다. 실리콘보다 밴드갭이 큰 다른 반도체 재료를 사용하는 방법도 있으나, 2020년 현재 이러한 재료와 공정은 실리콘보다 비용이 훨씬 높다.

누설 전류 관리는 활성 전력 관리보다 더 까다로운데, 로직의 전원을 차단하기 전에 저장된 데이터를 누설이 적은 다른 저장 공간으로 옮겨야 하기 때문이다. 일부 CPU^[11]는 이를 위해 특수한 플립플롭을 사용한다. 이 플립플롭은 빠르지만 누설이 많은 저장 셀과 느리고 크지만 누설이 적은 셀을 함께 가지고 있으며, 각각 다른 전원 공급 장치에 연결된다. CPU가 절전 모드(예: 정지 상태에서 인터럽트를 기다리는 경우)로 들어가면 데이터가 저누설 셀로 옮겨지고 다른 셀의 전원은 차단된다. CPU가 저전력 모드에서 해제되면(예: 인터럽트 발생 시) 과정이 반대로 진행된다.

과거 설계에서는 CPU 상태를 메모리나 디스크에 복사했으며, 때로는 이를 위한 특수 소프트웨어를 사용하기도 했다. 매우 단순한 임베디드 시스템의 경우, 전력을 절약한 후 단순히 시스템을 다시 시작하는 경우도 있다.

5. 컴퓨터와의 통합

현대의 모든 CPU는 제어 장치를 통해 컴퓨터 시스템의 다른 구성 요소들과 연결된다. 주요 연결 방식으로는 버스 컨트롤러, 인터럽트 컨트롤러, 캐시 컨트롤러 등이 있으며, 제어 장치는 이들을 제어하여 메모리 접근, 입출력 처리, 인터럽트 대응, 캐시 관리 등 시스템 전반의 동작을 조율한다.

• 버스 컨트롤러: 제어 장치는 버스 컨트롤러를 통해 메모리 및 입출력 장치와의 데이터 교환을 관리한다. 현대 컴퓨터는 메모리와 입출력에 동일한 버스 인터페이스를 사용하는 메모리 맵 I/O 방식을 주로 사용하지만, x86 PC처럼 별도의 입출력 버스를 사용하는 경우도 있다.
• 인터럽트 컨트롤러: 외부 장치나 내부 이벤트로부터 발생하는 인터럽트 신호를 처리하고, 제어 장치가 이에 적절히 대응하도록 한다.
• 캐시 컨트롤러: CPU와 주 메모리 사이의 속도 차이를 줄이기 위한 캐시 메모리를 관리하며, 특히 여러 CPU가 자원을 공유하는 환경에서 데이터 일관성을 유지하는 역할을 한다.

5. 1. 버스 컨트롤러

5. 2. 인터럽트 컨트롤러

5. 3. 캐시 컨트롤러

참조

_[1] 간행물 First Draft of a Report on the EDVAC http://qss.stanford.[...] Moore School of Electrical Engineering, University of Pennsylvania
_[2] 웹사이트 Computer Organization - Control Unit and design https://www.geeksfor[...] 2018-09-24
_[3] 서적 The RISC V Instruction Set Manual https://content.risc[...] RISC-V Foundation 2017
_[4] 서적 Power ISA(tm) https://ibm.ent.box.[...] IBM 2019-12-26
_[5] 서적 Design of a Computer: The CDC 6600 https://archive.org/[...] Scott, Foreman and Co. 1970
_[6] 웹사이트 Libre RISC-V M-Class https://www.crowdsup[...] 2020-01-16
_[7] 웹사이트 RISC-V HW Dev, 6600-style out-of-order scoreboard https://groups.googl[...] RISC-V Foundation 2020-01-16
_[8] 웹사이트 BOOM Docs, Rocketship SOC Generator https://docs.boom-co[...] 2020-01-16
_[9] 서적 Introduction to MAXQ Architecture https://www.maximint[...] Maxim Integrated Inc. 2019-12-26
_[10] 서적 ARM Technical Reference, Cortex ARM Ltd
_[11] 서적 The ARM(tm) Technical Reference Manual ARM Ltd.
_[12] 서적 PDP-8L Maintenance Manual http://bitsavers.tra[...] Digital Equipment Corp. 2019-12-26
_[13] 서적 Alto Hardware Manual http://bitsavers.inf[...] Xerox 1976
_[14] 웹사이트 MICRO-PROGRAMMED VERSUS HARDWIRED CONTROL UNITS; http://www.cs.bingha[...] 2017-02-17
_[15] 학술 Teaching computer design using virtual prototyping 2003-05
_[16] 서적 Logic synthesis for FSM based control units / Alexander Barkalov and Larysa Titarenko Springer
_[17] 서적 Synthesis of compositional microprogram control units for programmable devices University of Zielona Góra
_[18] 서적 Logic synthesis for FSM based control units / Alexander Barkalov and Larysa Titarenko Springer
_[19] 서적 Synthesis of compositional microprogram control units for programmable devices University of Zielona Góra